Как корона Солнца может быть горячее самой звезды?⁠⁠

Солнце кажется нам простым и понятным. Жёлтый диск, свет, тепло, привычная точка в небе, вокруг которой крутится всё, и в буквальном и в переносном смысле. Кажется логичным что чем ближе к ядру, тем горячее. Чем дальше тем холоднее. Но физика, как обычно, преподносит сюрпризы.
Поверхность Солнца разогрета примерно до 5500 градусов, а вот его внешняя атмосфера, так называемая солнечная корона имеет температуру в миллионы градусов.
То есть слои, находящиеся дальше от источника энергии, почему-то оказываются во много раз горячее, чем сами нижние слои. Это не мелкая аномалия и не экзотическая деталь. Это одна из самых известных и долгое время нерешённых загадок астрофизики, над которой десятилетиями ломали голову лучшие физики мира, и до конца она не закрыта до сих пор.
В этой статье мы разберёмся не просто что греет солнечную корону, а почему привычная интуиция здесь не работает, и как Солнце на самом деле передаёт энергию туда, где, казалось бы, ей взяться неоткуда.
Но прежде чем разбираться почему так, нужно понять что вообще значит «температура звезды».

У звезды нет твёрдой поверхности, как у камня или металла. Когда мы говорим про температуру Солнца, мы имеем в виду температуру слоя откуда выходит основное излучение.
У Солнца это фотосфера, тонкий слой толщиной всего несколько сотен километров.
Для измерения температуры звёзд есть три основных метода:
1. По спектру излучения (главный способ). Любое горячее тело излучает свет. Чем горячее тем сильнее смещение спектра уходит в сторону коротких волн. Холодные звёзды красные. Горячие голубые. Солнце почти белое, хотя с Земли кажется желтоватым. По форме спектра можно очень точно определить температуру. Это работает не только для Солнца, но и для звёзд за тысячи световых лет.
2. По спектральным линиям элементов. При разных температурах атомы ионизируются по-разному. Например железо с 1 электроном это одна температура, железо без электронов это уже миллионы градусов. По этим линиям можно определить температуру даже там, где нет плотной материи, как в короне.
3. По излучению в ультрафиолете и рентгене. Корона Солнца светится не в видимом свете, а в ультрафиолете, рентгене. А это автоматически означает миллионные температуры.

Итак, с методологией измерения разобрались. Теперь нужно поговорить о строении Солнца, его структура:
Сначало идет ядро, температура там ~15 млн °C ( идёт термояд).
Далее лучистая зона, затем конвективная зона.
За ней следует фотосфера с температурой ~5 500 °C (то, что мы видим)
Над ней хромосфера, температура ~10–100 тыс. °C
Ну и наконец корона, а вот там уже температура 1–3 млн °C.
Обратите внимание, температура падает, потом снова резко растёт. Причём плотность в короне в миллиарды раз меньше, чем у поверхности. То есть газа почти нет, а температура чудовищная. Это выглядит как физический абсурд, но он реален.

Первое, что хочется сказать: «Ну тепло же поднимается». Но в Солнце это так не работает. Фотосфера это конец конвекции, выше уже разреженная плазма где привычный перенос тепла почти не работает. Теплопроводность там настолько слабая, что нагреть корону снизу просто не получается. А значит, энергия должна выделяться прямо там, в самой короне.И вот здесь начинается самое интересное.

Магнитное поле главный подозреваемый. Солнце не просто шар газа. Это магнитный монстр. Его магнитные линии закручены, они рвутся, пересоединяются, они хранят энергию. Когда линии магнитного поля резко переключаются (это называется магнитная реконнекция), эта энергия высвобождается и превращается в тепло. Иногда мы видим это напрямую как солнечные вспышки или корональные выбросы массы.

Но есть гипотеза, что корону греют не большие вспышки, а миллиарды микровспышек, так называемые нанофлэры. Каждая из них крошечная, почти незаметная. Но вместе они дают колоссальный нагрев.
Вторая ключевая гипотеза - магнитогидродинамические волны. Солнце постоянно «дрожит». Плазма движется, магнитные линии колеблются, волны бегут вверх. Часть этих волн не отражается, не возвращается, а гаснет в короне, превращаясь в тепло.
Миссия Parker Solar Probe впервые подтвердила, что такие волны реально переносят энергию в корону. Правда, вопрос, хватает ли их чтобы полностью объяснить нагрев всё ещё открыт.

Чуть выше я говорил про зонд, и вы можете подумать, что раз в короне такие адские температуры как у нас там летают зонды?
Прежде чем ответить на данный вопрос, уточню один важный момент.
Это не тепло в бытовом смысле. Это высокая энергия частиц при крайне низкой плотности. Если перефразировать - температура это не то же самое, что количество тепла. Корона очень горячая, но почти пустая. Частиц мало. Передать тепло аппарату просто некому. Это похоже на ситуацию с духовкой при 250°C и раскаленным утюгом. Коснуться утюга опаснее, чем засунуть руку в духовку.

Ну и несколько слов о самом зонде Parker Solar Probe. Этот аппарат подходит ближе к Солнцу, чем любой объект до него, буквально ныряет в корону.
Его защищает тепловой экран из углеродного композита, толщиной около 11 см. Температура снаружи до 1400°C, внутри почти комнатная. Самое интересное то что зонд не столько борется с температурой, сколько с излучением и потоками заряженных частиц.

А бывает ли такое у других звёзд? Да. У активных звёзд короны ещё горячее. У красных карликов чудовищные вспышки, у молодых звёзд экстремальные магнитные поля. То есть это универсальное явление, а не особенность Солнца. Значит, дело не в странности Солнца, а в физике плазмы и магнитных полей. И она не интуитивно понятна.