Происхождение солнечного ветра: астрофизический и плазменно-физический аспект проблемы

Проблема происхождения солнечного ветра (СВ) возникла более полувека назад, когда благодаря наземным наблюдениям комет, вариаций космических лучей и геомагнитных возмущений постепенно стал ясен перманентный сверхзвуковой характер потоков вещества от Солнца, впоследствии надежно подтвержденный и ныне детально исследуемый прямыми измерениями с помощью многочисленных космических аппаратов и спутников. Первое недоуме- ние исследователей выражалось простым вопросом: почему вообще существует СВ? Достаточно глубокий полный ответ отсутствует и поныне, несмотря на огромный прогресс в исследовании конкретных свойств СВ за последние десятилетия. Значительная доля остающегося недоумения обусловлена не только объективными причинами, связанными с недостатком необходимых сведений, но и субъективными факторами, в частности, широким распространением так называемой стандартной модели Солнца.

Указанная модель является достаточно грубой в этом отношении, а само ее название неудачно, так как при этом существует намек на некоторую общность и универсальность использования в задачах физики Солнца. В действительности же, в стандартной модели фактически не рассматриваются тонкие детали строения Солнца, его атмосферы и проявления солнечной активности, которые связаны с отсутствием полного механического и термодинамического равновесия. Одним из таких проявлений и является СВ. Поэтому ответ на поставленный вопрос следует искать вне рамок стандартной модели.

Первоначальное теоретическое описание этого явления носило стационарный гидродинамический характер, затем были разработаны нестационарные и газокинетические модели, которые связывали происхождение СВ с существованием горячей короны Солнца и ее неоднородностей. Уже на этой ранней стадии исследований стало ясно, что процессы нагрева солнечной короны и ускорения СВ тесно связаны между собой уравнениями энергетического баланса. Дальнейшие исследования плазмы и электромагнитных полей в гелиосфере подтвердили сверхмагнитозвуковой характер СВ и необходимость тщательного рассмотрения роли магнитных полей и электрических токов в нестационарной динамике СВ. Появились магнитогидродинамические модели этого явления. Возникли вопросы о балансе массы, импульса и энергии вещества, о взаимосвязи с переносом излучения, генерацией электрических и магнитных полей в атмосфере Солнца и его недрах. Постепенно стал вырисовываться крайне сложный и многообразный характер проблемы, которая в настоящее время не имеет достаточно полного теоретического и экспериментального решения в отношении плазменной динамики. Цель данного сообщения - краткий анализ астрофизического и плазменно-динамического аспекта в проблеме происхождения СВ.

Солнечный ветер как глобальное астрофизическое явление

Турбулентный и ламинарный перенос энергии и вещества в солнечной атмосфере в среднем по пространству и времени происходит снизу вверх. Интересной и не до конца понятной особенностью такого переноса в хромосфере, переходной области и солнечной короне является то, что на некотором расстоянии от Солнца поток уходящего наружу вещества становится сверхмагнитозвуковым и покидает Солнце - формируется СВ. Принципиально нестационарная и турбулентная картина формирования этого потока в виде струйных течений не может быть достаточно полно и правильно описана в рамках ламинарных теорий, развивавшихся в недавнем прошлом.

Многие важные стороны этого сложного астрофизического и плазменно-физического явления к настоящему времени уже неплохо изучены благодаря многочисленным прямым измерениям на космических аппаратах и спутниках, а также разнообразной косвенной информации, дистанционным наблюдениям и теоретическим исследованиям [1]. Несмотря на быстро растущий объем и все более высокое качество этой информации, до сих пор все еще отсутствует достаточно глубокое физическое понимание связей между наблюдаемыми явлениями и структурами на Солнце и в гелиосфере, заполненной СВ.

Можно рассматривать СВ с разных точек зрения: как глобальное эволюционное явление в физике звезд, как крупномасштабное долговременное ква-зистационарное течение или как динамический плазменный процесс с множеством нелинейно взаимодействующих между собой плазменных и электродинамических структур, находящихся в транзи-ентном состоянии. Разграничение между квазиста-ционарными и транзиентными течениями, принимаемое обычно на основании безразмерного числа Струхала, носит условный характер, так как оно не инвариантно относительно выбора системы отсчета и наблюдателя.

Астрофизический и плазменный аспекты тесно связаны между собой. Мы попытаемся обозначить и выявить эти связи для лучшего понимания режимов слабой, умеренной и сильной турбулентности в динамике СВ на различных пространственно-временных масштабах. Говоря об астрофизическом аспекте проблемы, мы подразумеваем, в первую очередь, возможную роль СВ на ранней стадии эволюции Солнца как звезды. В настоящее время отсутствует ответ на самый, казалось бы, простой вопрос: когда и как произошел переход от накопления (аккреции) вещества на Солнце к его потере (диссипации)? Ответ на этот вопрос может оказаться принципиально важным для более глубокого понимания процессов звездообразования, космогонических сценариев и объяснения наблюдаемых закономерностей в распределении и составе вещества в Солнечной системе. Мы можем лишь уточнить постановку вопроса и возможные способы его решения, не имея в виду детальных разработок из-за отсутствия необходимых экспериментальных сведений на этот счет в существующей литературе. Итак, на какой стадии эволюции Солнца, каким образом мог возникнуть СВ как перманентное явление? Ответ на этот вопрос в известной нам литературе отсутствует (например, недавний обзор по вопросам формирования звезд [2]).

Для уверенного ответа на этот вопрос нужны наблюдательные данные, которые можно было бы интерпретировать в рамках теоретических сценариев и моделей на основе решения нестационарных гидродинамических, магнитогидродинамических и кинетических задач с зависящими от времени граничными и начальными условиями, отвечающими различным гипотезам об эволюции протосолнечного и ок-лосолнечного межзвездного облака, в котором формировалось и существует нынешнее Солнце. В результате такого рассмотрения в будущем могут стать более ясными допустимые и недопустимые предположения о возможных процессах, приведших к прекращению аккреции и смене ее СВ на определенной стадии эволюции Солнца.

Звезды-доноры и звезды-акцепторы межзвездного вещества

Солнце в настоящее время является донором вещества для ближнего межзвездного пространства. В ка- ком состоянии находятся ближайшие звезды, являются они донорами или акцепторами – неизвестно. Возможно, что в настоящее время среди них существуют только доноры, также пополняющие межзвездную среду своим веществом, либо существуют как доноры, так и акцепторы. То, что на определенной стадии неравномерной эволюции могут соседствовать друг с другом звезды обоих типов – очевидная возможность, так же как и возможность преимущественного окружения того или иного типа. Все зависит от неоднородности начальных условий. Это открывает пути для рассмотрения разнообразных эволюционных сценариев с обменом вещества между компонентами звездной системы и межзвездного газа в ее окружении. Количество физически не запрещенных и не исследованных вариантов велико. В частности, мы не исключаем такие ситуации, когда звезды одинакового типа со сходной внутренней структурой и динамикой недр будут иметь различные атмосферы – убегающие, как в случае Солнца, или накапливающиеся из межзвездного газа и поглощающиеся поверхностью звезды. Экспериментальное обнаружение звезд, подобных Солнцу, но находящихся в стадии аккреции, несмотря на наличие у них горячей короны, представляло бы большой интерес для расширения наших представлений об эволюции звездных систем. Можно думать, что такие звезды существуют. Их внешние атмосферы могли бы приближенно описываться решениями Бонди [3] с отрицательным знаком радиальной скорости.

Наконец, интенсивность обмена веществом с окружающей межзвездной средой может быть относительно невелика по сравнению с потоками вещества, циркулирующими вверх-вниз вокруг звезды. Тогда мыслимы звезды с мощной турбосферой, простирающейся до межзвездной среды. Такие «астросферы» были бы совсем не похожи на нашу гелиосферу. В случае Солнца турбосфера «прижата» силой тяжести до высот короны, за пределами которой направленные вниз потоки вещества ничтожно малы по сравнению с уходящими от Солнца потоками.

Смена режимов аккреции и истечения на данной стадии эволюции определяется предыдущей эволюцией в сочетании с граничными условиями вблизи и вдали от звезды. Поэтому полный ответ на вопрос о том, почему существует СВ, должен содержать в себе упоминание не только о горячей короне с высоким давлением и о разреженной межзвездной среде с низким давлением, но и об эволюционном пути самой звезды, ее предыстории. В этом отношении гидродинамическая теория Паркера совершенно недостаточна для физического объяснения рассматриваемого явления. В теоретическом плане отсутствует ответ на вопрос: как следует изменить условия в межзвездной среде, чтобы современное Солнце стало акцептором? Существуют ли наблюдательные данные, которые могли бы пролить свет на то, как происходят переходы между состояниями накопления и потери вещества у звезд? Могут ли эти процессы быть осциллирующими или они монотонны?

Крупномасштабная и долговременная структура солнечного ветра

Основной вывод из современных исследований СВ состоит в том, что СВ – нестационарное явление на всех мыслимых масштабах времени – от самых длительных изменений на шкале порядка времени существования Солнца (миллиарды лет) до самых быстрых измеряемых ныне вариаций (малые доли секунды), связанных с локальными плазменными и электродинамическими характеристиками. Все эти пространственные и временные изменения в конечном счете обусловлены эволюционным состоянием и динамикой Солнца, Солнечной системы, гелиосферы и межзвездной среды. К настоящему времени о СВ известно уже многое, но далеко не все необходимое для понимания и количественной оценки этих взаимосвязей, которые носят крайне сложный нелинейный и нелокальный характер. Об актуальности этой проблемы говорит тот факт, что на ее решение направлен целый ряд законченных, текущих и планируемых космических проектов и миссий, таких как SOHO, WIND, ACE, STEREO, SDO, «Solar Orbiter», «Solar Probe» и другие.

Взаимная связь между макроскопическими движениями, магнитными полями и нагревом солнечной короны также была осознана довольно давно, однако многие важные детали этой связи предстоит еще выяснить. Например, до сих пор в литературе иногда обсуждается вопрос – что является причиной, а что следствием на Солнце: вспышки или ко-рональные выбросы массы? В действительности эти явления лишь сопутствуют друг другу, будучи связаны с одними и теми же источниками свободной энергии, выделяющейся в виде электромагнитного излучения (вспышка) или движения вещества (ко-рональный выброс).

Плазменно-физический аспект проблемы происхождения СВ понимается ныне на основе современного уровня знаний в этой области в следующем более конкретном виде. Необходимо ответить на актуальные вопросы о нелокальной связи квазиста-ционарных процессов переноса энергии излучения, потоков электромагнитной энергии и плазмы в энергетическом балансе солнечной атмосферы в среднем за большие интервалы времени, сравнимые с длительностью солнечных циклов, а также в нестационарных явлениях, связанных с гелиосферной динамикой и корональными выбросами массы различной длительности. Для этой цели используются адекватные кинетические и магнитогидродинамические модели, а также методы безразмерного масштабного анализа с привлечением всей совокупности экспериментальных данных о СВ и гелиосферном магнитном поле. Анализируются как самые новые, так и архивные материалы наблюдений на спутниках и космических аппаратах, а также данные, полученные косвенными наземными методами. Ожидаемый результат состоит в выяснении нерешенных вопросов о связи процессов в нижней атмосфере Солнца – фотосфере и хромосфере – с процессами в солнечной короне и гелиосфере.

Горячая корона, аккреция и солнечный ветер

В самых первых попытках объяснения существования горячей солнечной короны, предпринятых сразу после ее открытия, это явление связывали с диссипацией энергии механических движений. В начале 1950-х гг. иногда предполагалась аккреция как источник нагрева короны для современного Солнца. Физическая идея казалась простой и привлекательной: разреженный межзвездный газ падает с ускорением в поле тяжести звезды, достигает ее атмосферы, тормозится и отдает свою кинетическую энергию, что приводит к нагреву короны. Основополагающие теоретические работы Бонди, выполненные в этом направлении для описания сферически симметричной аккреции [3], фактически создали математическую основу также и для сферически симметричной политропной модели СВ. Дело в том, что в результирующее уравнение Бернулли входит лишь квадрат скорости. Поэтому каждому решению с течением вещества к центру (отрицательный знак радиальной скорости) соответствует полностью аналогичное решение с течением от центра (положительный знак скорости) – задача вырождена. Любопытно отметить, что полная математическая идентичность семейства политропных решений для этих случаев не была отмечена, а критическое решение с положительным знаком радиальной скорости было выбрано для Солнца лишь через несколько лет в другой раб оте и другим автором [4], полностью повторившим те же самые математические выкладки, что и Бонди [3].

Аналогичная, но значительно более сложная и разнообразная ситуация имеет место для двухжидкостных моделей СВ и экзосферных моделей в бесстолкновительной кинетике. Число параметров и эффективных степеней свободы в кинетике значительно больше, чем в гидродинамике. В этом случае траектории всех частиц подразделяются на уходящие, приходящие и финитные. Последние, в принципе, могут пересекать или не пересекать поверхность Солнца, что создает дополнительный произвол в постановке граничных условий на характеристиках, не пересекающих заданную границу вокруг Солнца. Возникает возможность образования виртуальных электродов. Степень нелокально-сти условий и неоднозначности решений подобна той, что встречается в задачах газовой электроники, теории зондов Ленгмюра и других похожих задачах, подробно исследованных в литературе [5]. Если реализуется простейшая ситуация с отсутствием финитных частиц, не пересекающих поверхность Солнца, то удается построить и проанализировать относительно простые и однозначные аналитические и численные решения, что было сделано ранее в ряде работ применительно к задачам описания СВ. Результаты показывают, что каждому «аккреционному» решению и в этой модели также соответствует «ветровое» решение. Вырождение существует и в этом случае. Оно устраняется лишь при учете столкновений и диссипации за счет излучения.

В простейшем случае непрерывных функций распределения в фазовом пространстве удается при этом качественно и полуколичественно оценить величину испаряющегося потока плазмы с поверхности звезды наружу или поступающего потока извне при определенных граничных условиях. Таким способом можно получить для современного Солнца правильные порядки величин уносимой массы и энергии СВ. Скорость СВ на бесконечности при этом по порядку вели- чины оказывается равной среднему геометрическому значению тепловых скоростей электронов и ионов в короне на уровне экзобазы. Для реального случая изотермической водородной плазмы это означает увеличение скорости испарения (или аккреции) по сравнению с нейтральным газом при той же кинетической температуре приблизительно в сорок раз (корень из отношения масс протонов и электронов). Этот эффект связан с особенностями движения плазмы в возникающем самосогласованном электрическом поле, ускоряющем ионы и тормозящем электроны таким образом, чтобы в плазме поддерживалось условие квазинейтральности и нигде на Солнце и вокруг него не накапливался большой электрический заряд. Плазма в этом смысле оказывается более «текучей» и легче ускоряемой по сравнению с нейтральным газом. Последствия этого явления для аккреции, по-видимому, в литературе не обсуждались.

Что касается роли магнитных полей, то их учет представляет значительные трудности. Действие электромагнитных сил представляется принципиально важным, так как они могут работать как вместе, так и против сил тяжести и сил газового давления. «Электромагнитные насосы» в короне Солнца могут прокачивать и прокачивают вещество в любом направлении. То, что на Солнце в настоящее время преобладает такая конструкция, при которой вещество выбрасывается из его атмосферы, – следствие эволюционного состояния. Вполне допустима и противоположная ситуация, когда свободная энергия звезды расходуется на приобретение новой массы из межзвездной среды. Весь вопрос в том, как устроены эти насосы, каковы МГД-режимы.

Нелинейная динамическая связь между процессами на Солнце и в солнечном ветре

Солнечный ветер существует потому, что на Солнце нет полного механического и термодинамического равновесия. Такой ответ, в общем, правильный, кратко резюмирует накопленные экспериментальные сведения и результаты имеющихся более частных теоретических моделей. Однако он проясняет лишь принципиальную физическую картину, но не ее детали, и не проясняет основные интересующие нас нерешенные вопросы: 1) на какой стадии эволюции Солнца и Солнечной системы возник СВ; 2) какова конкретная физическая природа неравновесных и нестационарных процессов, вовлеченных в формирование современного СВ и гелиосферы?

Эти два основных нерешенных вопроса представляются взаимосвязанными, важными и актуальными. Мы исходим при этом из современных общетеоретических положений о нелокальных и нелинейных взаимодействиях в открытой плазменной и электродинамической системе, какой является Солнце и гелиосфера в их совокупности. Предыдущими исследованиями установлена тесная причинно-следственная связь между структурами и процессами в этой системе на различных пространственновременных масштабах.

Согласно современным представлениям, Солнце и Солнечная система сформировались из некоторого протосолнечного вещества на шкале времени порядка миллиардов лет. Современная теория формирования Солнца и Солнечной системы в настоящее время находится в сложном положении, в особенности в связи с открытием больших планет типа Юпитера на малых расстояниях вокруг многих звезд. Планетная космогония в ближайшее время, по-видимому, должна обогатиться новыми физическими идеями и сценариями, которые позволят ей дать объяснение новым неожиданным фактам, представляющим ныне большой астрофизический интерес.

Обсуждение

Существует точка зрения, согласно которой конечным источником энергии всей цепочки активности (переменности) у Солнца и сходных с ним звезд является вращение звезды [6]. Действительно, имеющиеся, пока еще не очень многочисленные наблюдения как будто указывают, что в ряде случаев чем больше вращение, тем больше активность. Однако этот принцип выполняется не во всех случаях – имеется значительный разброс данных. Кроме того, существование такой статистической зависимости само по себе еще не может служить доказательством причинной связи, поэтому, а также исходя из общих физических соображений можно высказать предположение, что дело не только во вращении – причина наблюдаемой солнечной и звездной активности связана с неравновесными процессами в недрах звезды. В этом случае было бы неудивительно обнаружить звездные объекты со слабым вращением или даже вовсе без него, но с заметными проявлениями всех разновидностей активности, в том числе горячих корон с истечением плазмы. Не исключено, что дело обстоит именно таким образом, и под обные звездные объекты могут быть обнаружены при более тщательном анализе уже имеющихся и новых наблюдений.

Современный темп потери вещества Солнца на испускание СВ составляет порядка 2·1018 г/с, т. е. порядка 10–14 массы Солнца в год. Эта величина ныне ничтожно мала в общем балансе массы на современном этапе эволюции Солнца как звезды. При современной массе около 2·1033 г и предполагаемом возрасте порядка 1010 лет основные потери массы покоя Солнца связаны с испусканием света, а не СВ. Однако подобные оценки не следует экстраполировать в очень далекое прошлое и будущее.

Область пространства, занятую потоками плазмы от Солнца, ныне называют гелиосферой. Согласно современным представлениям, она имеет кометоподобную форму с вытянутым хвостом в направлении течения межзвездного газа. Размеры и форма точно не известны, но в качестве характерного масштаба до точки остановки СВ давлением межзвездной среды обычно принимают величину порядка сотни астрономических единиц. Ясно, что течение плазмы в пограничных с межзвездной средой участках и в хвосте должно носить турбулентный характер, так же как и в самом СВ. Никаких постоянных и неподвижных границ здесь ожидать не приходится вследствие больших запасов свободной энергии в неоднородных и переменных потоках плазмы с магнитными полями.

Достаточно детальное и корректное теоретическое описание такой ситуации затруднительно. В настоящее время оно отсутствует, имеются лишь некоторые квазистационарные и ламинарные модели, разработанные в целом ряде случаев весьма детально. О том, каким образом и насколько интенсивно происходит здесь перемешивание межзвездного вещества с веществом солнечного происхождения, практически ничего не известно из наблюдений, а существующие современные гипотезы об отсутствии такого перемешивания вряд ли могут быть сколько-нибудь надежно обоснованы теоретически.

Мы полагаем, что должна существовать буферная зона, где такое перемешивание имеет место. Вещество СВ проникает в виде отдельных струй, перемешивается и становится плохо различимой частью межзвездного газа. В этом случае из-за процессов турбулентного перемешивания уже трудно говорить о происхождении этого вещества. Образно можно сказать, что потоки СВ как бы «размешиваются и растворяются» в некотором межзвездном резервуаре, содержащем гораздо большую массу газа, протекающего через него в виде межзвездного ветра.

Ячейка пространства с характерным размером порядка расстояния между ближайшими к Солнцу звездами составляет несколько световых лет, т. е. 1018– 1019 см. В такой ячейке содержится 1054–1057 частиц при плотности межзвездного газа порядка 1 см–3, что может быть сравнимо, а, скорее всего, меньше числа частиц, из которых состоит Солнце. Обновление вещества в такой ячейке за счет межзвездного ветра со скоростью несколько десятков километров в секунду происходит за десятки тысяч лет. Роль СВ в этом балансе ничтожна. Вещество СВ постоянно расширяется и поступает из гелиосферы в межзвездную среду в виде относительно небольшой по концентрации примеси. Оно полностью смешивается с межзвездным ветром благодаря турбулентной и молекулярной диффузии уже на гораздо меньших расстояниях, чем расстояние между звездами. Межзвездная среда, так или иначе, поглощает в себе частицы СВ. Даже очень приблизительная оценка необходимого для этого пути и времени перемешивания затруднительна. Она не обладает устойчивостью, что вообще свойственно задачам об увлечении потока из слабого источника более мощным течением.

Заключение

Проблема происхождения СВ остается не до конца решенной и даже не очень четко сформулированной, хотя само явление было обнаружено довольно давно и интенсивно исследуется как экспериментально, так и теоретически на протяжении десятков лет. Эта проблема имеет два аспекта: астрофизический и плазменно-физический. Существенный прогресс в обоих направлениях возможен только при сочетании новых наблюдений с теорией – вместе они могли бы дать отсутствующие ныне сведения и физические представления о природе этого интересного и важного явления.

Работа поддержана грантами РФФИ 07-02-00147, 06-05-64500, INTAS 03-51-6202 и Междисциплинарным научным проектом МГУ. Она является так- же частью исследований по программам фундаментальных исследований Президиума РАН «Происхождение и эволюция звезд и галактик» (П-04); «Солнечная активность и физические процессы в системе Солнце–Земля» (П16, часть 3) и ОФН РАН «Плазменные процессы в Солнечной системе» (ОФН-16).