Центр нашей звезды имеет температуру 15 млн градусов по Цельсию, на поверхности она — 6 тыс. градусов, а в «короне» — снова становится в несколько млн градусов. Механизм нагрева солнечной «короны» не давал покоя ученым долгое время. Космический зонд Parker Solar Probe подтвердил теорию о том, что нагрев возникает вследствие колебания магнитного поля. Но до сих пор не ясно, вызван ли этот эффект внезапным изменением структуры магнитного поля в солнечной плазме или же затуханием различных типов волн.
В эксперименте с использованием расплавленного щелочного металла рубидия и сильных импульсных магнитных полей команда из немецкого Центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR) разработала лабораторную модель и впервые экспериментально подтвердила теоретически предсказанное поведение плазменных волн — так называемых альвеновских волн. Они возникают ниже «короны» в горячей плазме солнечной атмосферы, пронизанной магнитными полями. Магнитные поля, действующие на ионизированные частицы плазмы, напоминают гитарную струну, работа которой вызывает волновое движение. Подобно тому, как высота звука струны увеличивается с ее натяжением, частота и скорость распространения альвеновской волны возрастают с увеличением силы магнитного поля.
«Прямо под солнечной «короной» находится магнитный слой, в котором магнитные поля выровнены, в основном, параллельно поверхности Солнца. Здесь звуковые и альвеновские волны имеют примерно одинаковую скорость и поэтому могут легко трансформироваться друг в друга. Мы хотели узнать, где начинается ударное преобразование магнитной энергии плазмы в тепло», — рассказал доктор Франк Стефани.
Альвеновские волны были обнаружены в первых экспериментах с жидким металлом, а затем были подробно изучены на сложных установках физики плазмы. Лишь условия магнитного купола, которые считались решающими для нагрева «короны», до сих пор оставались недоступными для экспериментаторов. С одной стороны, в больших плазменных экспериментах скорость Альвена обычно превышает скорость звука. С другой стороны, до настоящего времени во всех экспериментах с жидким металлом она было значительно ниже. Причиной является относительно низкая напряженность магнитного поля обычных сверхпроводящих катушек с постоянным полем около 20 тесла.
В Дрезденской лаборатории сильных магнитных полей создали импульсное магнитное поле с максимальными значениями почти 100 тесла. Это примерно в 2 млн раз превышает силу магнитного поля Земли. В ходе эксперимента исследователи хотели проверить, смогут ли альвеновские волны при таких условиях преодолеть звуковой барьер. Было известно, что рубидий способен на это уже при 54 тесла. Однако он легко самовоспламеняется на воздухе и бурно реагирует с водой.
В ходе эксперимента давление в 50 раз превышало атмосферное давление воздуха, создаваемое импульсным магнитным полем, потому расплав рубидия пришлось помещать в прочный контейнер из нержавеющей стали. Путем подачи переменного тока на дно контейнера и одновременного воздействия на него магнитного поля, наконец, стало возможным генерировать альвеновские волны в расплаве, движение которых вверх измерялось с ожидаемой скоростью.
Если при значениях до 54 тесла во всех измерениях преобладала частота сигнала переменного тока, то в тот момент появился новый сигнал с уменьшенной вдвое частотой. Это полностью соответствовало теории: альвеновские волны впервые лабораторно преодолели звуковой барьер. Работа ученых опубликована в журнале Physical Review Letters.