Сильні сонячні та катастрофічні зоряні спалахи

Чи може цивілізація загинути від аномально потужного сонячного спалаху? Це питання інтенсивно обговорюється в пресі, причому сплеск інтересу стався в кінці минулого року після публікації однієї з цитованих нижче робіт.

Для початку визначимося з розумінням того, що таке сонячний спалах. Сонце — потужний генератор магнітного поля, причому з двома глобальними модами, між якими йде перекачування енергії туди-сюди з періодом 22 роки: тороїдальною і дипольною (полоїдальною) складовими. У цьому описі дуже важливі дві обставини:

1. Магнітне поле вморожено в речовину Сонця через величезну провідність сонячної плазми. Будь-який поперечний рух силових ліній щодо речовини індукує струми, які компенсують цей рух. Речовина, що рухається, будь то глобальний рух або хаотична турбулентність, тягне поле за собою.
2. Сонце обертається зовсім не як тверде тіло. Екватор і низькі широти обертаються швидше, ніж високі широти. Через це меридіональне поле намотується витками по широті — в результаті в товщі Сонця утворюються два глобальних обруча по сторонах від екватора (рис. 1), ми спостерігаємо їх ефект як ланцюги сонячних плям над ними.

Ріс. 1. Результат чисельного 3D-моделювання сонячного магнітного поля. Колір маркірує напрямок магнітних силових ліній. Зі статті [1]

Максимум сонячної активності — це максимальна потужність цих магнітних обручів при мінімальній дипольній складовій. Плазма з магнітним полем в рівновазі легше, ніж без поля, — вона дає додатковий тиск. Тому магнітне поле прагне спливти і спливає у вигляді величезних петель. Там, де у цих петель «ноги», виникають сонячні плями: магнітне поле перешкоджає передачі тепла, і поверхня охолоджується до 4000 ° K. І коли сходяться «ноги» двох петель протилежної полярності, вони починають пересоєднуватися — це і є сонячний спалах.

Магнітне поле, що полягає в собі величезну енергію, анігілює: з двох петель виходить одна. Вивільнена енергія передається частинкам, через них — гама- і рентгенівським квантам. Вони прилітають через 8 хвилин після початку спалаху, який зазвичай триває від декількох хвилин до декількох десятків хвилин.

Самі частинки великих енергій розпирають петлю і відлітають — це називається корональний викид. Хмара частинок досягає Землі через пару днів і плющить нашу магнітосферу. Відбувається те, що називається «магнітною бурею»: пропадає радіозв’язок, а в лініях передач індукується стрибок напруги.

Це, загалом, рутинні події, дрібні неприємності. Однак принаймні один спалах за всю історію спостережень і магнітна буря вийшли далеко за рамки рутини. Це добре відома Квебекська подія, коли в більшій частині канадської провінції Квебек на кілька днів відрубалася електрика — саме через індукційні наводки в лініях передач.

Інший знаменитий спалах, який спричинив сильну геомагнітну бурю, стався 1859 року — так звану Подію Каррінгтона, на ім’я астронома, який описав її. Того разу полярне сяйво спостерігалося аж до Куби, вийшов з ладу телеграф, а якби в той час існували електромережі, то вийшли б з ладу і вони. Сучасні оцінки збитку від подібної геомагнітної бурі дають цифру 2-3 трлн дол. (тільки для США). Повне енерговиділення найсильніших «історичних» спалахів — близько 10³² ерг. Це значно менше, ніж Сонце виділяє за секунду (4· 103³ ерг/с), але справляє великий ефект через жорсткість виділеного випромінювання і прискорених частинок.

Подія Каррінгтона — найсильніший спалах за час інструментальних спостережень, але далеко не найсильніший в історичні часи. У 775 році відбулося підкидання вмісту радіоактивного ізотопу ¹⁴S в кільцях дерев (1916 і кедр) та ізотопу ¹⁰Ве в річних шарах гренландського льоду. Цей спалах був щонайменше в 40 разів сильнішим, ніж будь-який зі спалахів, зареєстрованих у космічну епоху, і перевершував за енерговиділення 10³³ ерг.

Рис, 2. Крива вмісту радіоактивного ізотопу вуглецю ¹⁴S в деревних кільцях кедра і дуба по роках. Малюнок з огляду Іллі Усоскіна [2]

Ілля Усоскін (Університет Оулу, Фінляндія) у своєму огляді [2] стверджує, що це — найсильніша подія в голоцені, що почався 11 тис. років тому. Він же в приватному повідомленні висловив думку, що це взагалі близько до теоретичної межі потужності сонячного спалаху; за його словами, цю межу з деяким зусиллям можна дотягнути до 10³⁴ ерг, але не більше того. Проте існують молоді зірки класу Сонця (клас G), чиї спалахи виділяють до 10³⁶ ерг, і більш старі, обертаються з тією ж швидкістю, що і Сонце, зі спалахами до 10³⁵ ерг. Тобто існують аналоги Сонця зі спалахами майже в тисячу разів сильніше рекордсменів останніх 50 років. Ці спалахи бачать у даних космічного телескопа «Кеплер», який був націлений на пошук екзопланет, але приніс масу іншої цінної інформації.

«Кеплер» бачить спалахи великої кількості зірок. Звичайно, він спостерігає тільки досить сильні події, причому бачить їх не в рентгені, а в оптиці. Приклади спалахів, взяті зі статті [3], показано на рис. 3. Можна в черговий раз відзначити приголомшливу якість даних: «Кеплер» прекрасно бачить коливання блиску через нерівномірний розподіл плям на поверхні зірки, так що можна оцінити сумарну площу плям.

Рис, 3. Приклади кривих блиску зірок з супервишками. По горизонталі — юліанські дні (праворуч — частки дня від максимуму спалаху), по вертикалі — світність зірки відносно середньої. З роботи [3]

В ґрунтовній статті [4] автори задаються питанням: чи є серед «супервспышечных» зірок, виявлених «Кеплером», повільно обертаються зірки, подібні Сонцю? При цьому вони використовували дані космічного телескопа Gaia, націленого на астрометричні вимірювання і спостереження на наземному телескопі. Відповідь виявилася позитивною.

Зіркові супервишки разом з виміреними сонячними спалахами показані на рис. 4. Хмара подій «Кеплера» лежить досить далеко і відокремлена від хмари сонячних спалахів великим проміжком. Ці хмари представляють різні явища або одне і те ж, спотворене спостережною селекцією? Чи може розподіл інтерпретуватися так, що «Кеплер» не бачить слабких спалахів, а спостереження за Сонцем занадто короткі за часом, щоб на ньому відбулися сильні? Мабуть, ні. Швидше за все, це все-таки різні явища, але чи поширюється друге з них, катастрофічне, на зірки типу Сонця і, може бути, на наше Сонце?

Рис, 4. Сонячні спалахи і зіркові супервспышки «Кеплера». По горизонталі — площа групи сонячних/зіркових плям в одиницях площі півсфери Сонця, по вертикалі — енерговиділ спалаху. З роботи [4]

На рис. 5 показано розподіл потужності спалахів залежно від швидкості обертання зірки. Зліва — молоді зірки класу G, що швидко обертаються, праворуч — повільно обертаються, старі. Період обігу Сонця — 24 дні. Видно, що є негативна кореляція між періодом обертання і потужністю супервспышек, але все одно останні дотягують до 10³⁵ ерг і у повільно обертаються зірок. Дані Gaia і наземного телескопа APO 3.5 m не демонструють якоїсь відмінності тих зірок від Сонця.

Рис, 5. Зоряні супервишки в координатах — період обертання зірки — енергія спалаху. З роботи [4]

Що станеться, коли Сонце збрикне так само? Якби аномальний спалах стався до середини XIX століття, не сталося б нічого поганого, хіба що постраждав би озоновий шар Землі. Зате люди подивилися б чудовому сяйву неба. Станися спалах типу 10³⁵ ерг зараз, цивілізація зазнала б важкої шкоди, великих людських втрат, а потім багато років би відновлювалася. Для цього навіть не потрібно такої потужності: події 775 року цілком могло б вистачити.

А що станеться в прогнозованому технологічному майбутньому, коли людина буде сильніше залежати від штучного середовища, — навіть уявити страшно. Мої власні фантазії на цю тему (які не претендують на статус наукового прогнозу) можна прочитати в книзі «Фенікс сапієнс» [5]. Однак, на мій погляд, людству не варто забувати про можливість такого сильного спалаху. Необхідно подумати про те, як до неї підготуватися. Попереджений — озброєний.

Література1

. Augustson et al. Grand Minima and Equatorward Propagation in a Cycling Stellar Convective Dynamo // The Astrophysical Journal. 2015. arXiv:1410.6547.

2. Usoskin I. G. A history of solar activity over millennia // Living Rev. Sol. Phys. 2017. 14:3.

3. Maehara et al. Statistical properties of superflares on solar-type stars based on 1-min cadence data // Earth, Planets and Space. 2015. 67:59.

4. Yuta Notsu et al. Do Kepler Superflare Stars Really Include Slowly Rotating Sun-like Stars? — Results Using APO 3.5 m Telescope Spectroscopic Observations and Gaia-DR2 Data // The Astrophysical Journal. 1 May 2019. 876:58.

5. Штерн Б. Фенікс сапієнс. Троїцьк: Троїцький варіант, 2020.