Учёные, работающие с телескопом NSF Daniel K. Inouye, совершили крупный прорыв в физике Солнца, обнаружив неустойчивость Кельвина-Гельмгольца на солнечной поверхности — открытие, способное объяснить взрывную солнечную активность и другие явления.
Кратко: Национальная солнечная обсерватория Национального научного фонда США (NSF NSO) объявила о крупном прорыве в физике Солнца. С помощью самого мощного в мире солнечного телескопа NSF Daniel K. Inouye, расположенного близ вершины вулкана Халеакала на острове Мауи, и компьютерных симуляций международная команда учёных из NSO, Высокогорной обсерватории NSF NCAR (HAO) и Института исследования Солнечной системы имени Макса Планка (MPS) обнаружила на поверхности Солнца сигнатуру неустойчивости Кельвина-Гельмгольца (KHI) — крошечные завихрения, похожие на небольшие водовороты. Исследователи полагают, что KHI может быть одной из ключевых причин, по которым внешняя атмосфера Солнца нагревается до таких высоких температур, а также того, почему на Солнце накапливается и перемещается магнитная энергия. Именно эта энергия питает солнечные вспышки и выбросы — те явления солнечной активности, которые способны посылать к Земле мощные потоки энергии и влиять на спутники, энергосети и другую технику. Открытие открывает новое окно в фундаментальную физику Солнца и других звёзд, подчёркивая уникальные возможности телескопа Inouye.
Боулдер, Колорадо — 5 августа 2026 года. Национальная солнечная обсерватория Национального научного фонда США (NSF NSO) объявила о революционном открытии в области физики Солнца, способном фундаментально изменить понимание физических механизмов, управляющих солнечной активностью и её влиянием на жизнь на Земле.
Телескоп NSF Inouye впервые получил детальное изображение неустойчивости Кельвина-Гельмгольца в фотосфере Солнца
Международная команда исследователей из NSO, Высокогорной обсерватории NSF NCAR (HAO) и немецкого Института исследования Солнечной системы имени Макса Планка (MPS) обнаружила неустойчивость Кельвина-Гельмгольца (KHI) в виде небольших вихревых структур, напоминающих водовороты, на поверхности Солнца (фотосфере). Исследование, опубликованное в журнале Nature, основано на данных крупнейшего в мире солнечного телескопа NSF Daniel K. Inouye, построенного и эксплуатируемого NSO на острове Мауи, Гавайи. Опубликованные видеозапись с интервальной съёмкой и снимки показывают солнечный ландшафт, невиданный ранее: мелкомасштабные динамические вихри обнаруживаются повсюду на границах магнитных областей. Это позволило однозначно идентифицировать KHI в фотосфере, впервые экспериментально подтвердив явление, которое давно предсказывалось теорией, но могло быть выявлено только благодаря высокому пространственному разрешению телескопа Inouye.
Изображение с наивысшим разрешением поверхности Солнца (фотосферы), полученное на длине волны 416 нм телескопом Inouye. На нём видны деформированные границы магнитных элементов и сверхтонкие полосы, связанные с неустойчивостью Кельвина-Гельмгольца. Credit: NSF/NSO/AURA/MPS
«Мы полагаем, что обнаружение неустойчивости Кельвина-Гельмгольца в солнечной фотосфере, подкреплённое анализом численных симуляций, — важный шаг вперёд в понимании динамики и эволюции солнечной и звёздной плазмы, который станет основой для будущих открытий». — доктор Дэвид Боболтц, заместитель директора Национальной солнечной обсерватории.
Что такое неустойчивость Кельвина-Гельмгольца
Это эффект, вызванный движением жидкости: KHI возникает, когда две жидкости скользят друг относительно друга с разной скоростью, создавая на границе «сдвиг» — из-за чего небольшие возмущения перерастают в характерные волнообразные или спиральные вихри, похожие на разбивающиеся океанские волны. С момента первоначальной формулировки Лорда Кельвина и Германа фон Гельмгольца около 1870 года, KHI наблюдалась и изучалась во многих областях физики, включая гидродинамику, метеорологию, океанографию, физику гелиосферы и астрофизику. Эта неустойчивость наблюдается на самых разных масштабах — от небольших волн на озёрах и океанах (при ветреной погоде) и облачных образований на Земле до атмосфер газовых гигантов вроде Юпитера и Сатурна, а также взаимодействия солнечного ветра с магнитосферами планет Солнечной системы.
Крупный план изображения фотосферы Солнца, полученного телескопом Inouye. Увеличенная вставка показывает мелкомасштабные магнитные структуры и тёмные полосы, связанные с неустойчивостью Кельвина-Гельмгольца на масштабе десятков километров. Credit: NSF/NSO/AURA/MPS
Вихри как источник взрывных явлений на Солнце
Завихрения намагниченной солнечной плазмы стали объектом повышенного интереса физиков Солнца. Они могут служить эффективным источником свободной магнитной энергии, питающей крупную солнечную активность — от крошечных нановспышек до мощных вспышек, джетов и корональных выбросов массы. Именно эти явления в первую очередь определяют космическую погоду и способны серьёзно нарушать работу современной технологической инфраструктуры: энергосетей, спутников, GPS-навигации и глобальной связи.
Ведущая теория накопления магнитной энергии на Солнце называется «переплетение потока» (flux braiding). Когда линии магнитного поля закручиваются друг вокруг друга — подобно заплетаемым волосам — возникает напряжённая, неустойчивая конфигурация. Когда это напряжение резко высвобождается, запутанные магнитные линии «разрываются», пересекаются и соединяются заново в новой конфигурации (процесс, называемый «магнитным пересоединением»). Такая внезапная перестройка высвобождает всплеск энергии, поскольку система переходит в более спокойное, низкоэнергетическое состояние.
Учёным пока не до конца понятно, что именно вызывает само закручивание и переплетение линий поля. Новое открытие — те самые небольшие вихревые структуры, порождённые неустойчивостью Кельвина-Гельмгольца, — может быть частью ответа. Поскольку вихри, судя по всему, возникают постоянно и повсеместно на поверхности Солнца в местах с достаточно сильным магнитным полем, они могут выступать в роли постоянно работающего «двигателя», который непрерывно закручивает линии магнитного поля и запускает весь процесс.
«Мы только начинаем осознавать, насколько широко открытие неустойчивости Кельвина-Гельмгольца влияет на понимание связи между движением намагниченной плазмы и переносом и высвобождением энергии в верхних слоях солнечной атмосферы». — доктор Фридрих Вёгер, старший научный сотрудник Национальной солнечной обсерватории.
Совпадение наблюдений телескопа Inouye, симуляций и теории
В статье, опубликованной в Nature, команда сопоставила высокодетализированные наблюдения телескопа Inouye с компьютерными симуляциями солнечной фотосферы, созданными с помощью специализированного кода, разрабатываемого и поддерживаемого международными коллективами, включая HAO и MPS (MURaM — MPS/University of Chicago Radiative MHD). Эти симуляции, предоставленные HAO, построены на базовых физических уравнениях, описывающих процессы в атмосфере Солнца, и служат важным инструментом интерпретации научных данных. Симуляции позволяют учёным «увидеть» то, что трудно или невозможно измерить напрямую путём наблюдений, приоткрывая процессы, которые в противном случае оставались бы скрытыми.
В рамках этой работы учёные обнаружили десятки вихреобразных структур на границах магнитных областей как в наблюдениях, так и в симуляциях, с поразительно схожими характеристиками и динамикой. Например, среднее расстояние между вихрями, известное как «длина волны неустойчивости», в обоих случаях составило от 50 до 65 км. Исследование показывает, что постоянно «кипящая» поверхность Солнца, или грануляция, взаимодействует с магнитными структурами, создавая области, где соседние слои движутся с разной скоростью — а это как раз те условия, которые необходимы для возникновения KHI.
«Очень воодушевляет то, что наблюдения фотосферы Солнца с наивысшим разрешением выявили новый динамический режим в виде вихрей Кельвина-Гельмгольца на границах концентраций магнитного поля. Эти наблюдения также обеспечивают наиболее точную на сегодняшний день проверку магнитогидродинамических симуляций Солнца, и совпадение физических деталей впечатляет». — доктор Матиас Ремпель, старший научный сотрудник Высокогорной обсерватории.
Углублённый анализ наблюдений телескопа Inouye и компьютерных симуляций, а также их согласованность с аналитической теорией, привели команду к выводу, что завихрения и быстро движущиеся мельчайшие тёмные полосы («полоски-штрихи»), обнаруженные и в наблюдениях, и в симуляциях, несомненно порождены неустойчивостью Кельвина-Гельмгольца.
Сопоставление реального наблюдения телескопа Inouye (вверху слева) и синтетического изображения, созданного современными физически обоснованными компьютерными симуляциями (вверху справа). Поразительное совпадение позволяет учёным подтвердить природу неустойчивости Кельвина-Гельмгольца — универсального физического явления, возникающего, когда соседние слои жидкости или газа движутся с разной скоростью, создавая вихревые структуры на границе. Смоделированная карта магнитного поля поверхности Солнца (внизу справа) подтверждает, что эти процессы физически изгибают и деформируют границы магнитных элементов. Credit: NSF/NSO/AURA/HAO
Значение для солнечной атмосферы и загадки нагрева короны
«Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца, вероятно, является одним из механизмов, способствующих нагреву внешней атмосферы, и частью решения давней загадки — почему у звёзд корона нагрета до миллиона градусов Кельвина». — доктор Томас Риммеле, главный технолог Национальной солнечной обсерватории.
Данные также показывают, что этот вихревой эффект (KHI) эффективно перемешивает намагниченную и ненамагниченную плазму на поверхности Солнца, усиливая распространение (диффузию) магнитных полей по всей солнечной атмосфере. Диффузия, обусловленная KHI, — ключевой фактор, который учёные учитывают при построении моделей, предсказывающих изменение магнитной активности со временем, причём не только для Солнца, но и для других звёзд.
«Магнитное поле Солнца создаётся динамо-процессами, работающими подобно гигантским космическим двигателям, преобразующим энергию вращения звезды в магнитные поля. Однако поскольку солнечный магнитный цикл длится всего 11 лет — удивительно короткий срок по космическим меркам, — образующийся магнитный поток должен эффективно рассеиваться. Существующие модели с трудом объясняют столь быструю диффузию. Обнаруженная нами неустойчивость Кельвина-Гельмгольца в солнечной фотосфере может выступать ключевым источником этой недостающей магнитной диффузии». — доктор Дэвид Куридзе, астроном Национальной солнечной обсерватории.
Что дальше
Учёные переходят к следующему этапу анализа, который включает применение компьютерных программ, способных автоматически распознавать и изучать эти вихревые структуры, опираясь на данные высокого разрешения от телескопа Inouye. Этот этап исследований поможет в двух направлениях: покажет, сколько энергии подобные KHI могут переносить в верхние слои солнечной атмосферы, способствуя её нагреву, и позволит оценить, насколько сильно они влияют на распространение магнитных полей в нижних слоях солнечной атмосферы.
Солнечный телескоп NSF Daniel K. Inouye, построенный и управляемый Национальной солнечной обсерваторией NSF, на острове Мауи, Гавайи. Credit: NSF/NSO/AURA
«Чтобы понять динамику космической погоды, влияющей на Землю, необходимо увидеть мелкомасштабные процессы, которые её порождают. Десятилетиями разглядеть вихри столь малого масштаба было невозможно. Сочетая огромное четырёхметровое зеркало с современной оптикой и приборами, телескоп NSF Inouye обеспечивает разрешающую способность, необходимую для впервые выявленных сверхтонких деталей, открывая путь к открытиям, которые прежде были недостижимы». — доктор Жаклин Кин, программный директор NSF по Национальной солнечной обсерватории.
Статья с описанием исследования — «Ubiquitous Kelvin-Helmholtz Instabilities Driving Plasma Mixing on the Sun» — опубликована в журнале Nature.
О Национальной солнечной обсерватории NSF
Миссия Национальной солнечной обсерватории Национального научного фонда США (NSF NSO) — развитие знаний о Солнце как об астрономическом объекте и как о доминирующем внешнем факторе, влияющем на Землю, путём предоставления научному сообществу передовых наблюдательных возможностей.
NSO построила и эксплуатирует крупнейшую в мире коллекцию наземных оптических и инфракрасных солнечных телескопов и вспомогательного оборудования, включая сеть из шести станций NSF-NOAA GONG, расположенных по всему миру, и крупнейший в мире солнечный телескоп NSF Daniel K. Inouye — что позволяет физикам Солнца исследовать все его аспекты, от глубоких недр до фотосферы, хромосферы, внешней короны и межпланетной среды. Эти данные также используются для моделирования гелиосферы, прогнозирования космической погоды и исследований в области звёздной астрофизики, помещая Солнце в контекст других звёзд и их окружения.
Помимо эксплуатации передовых установок, миссия включает непрерывную разработку современного оборудования — как собственными силами, так и в партнёрстве с другими организациями, — проведение солнечных исследований, а также образовательную и просветительскую деятельность. NSO управляется Ассоциацией университетов по исследованиям в области астрономии (AURA) в рамках соглашения о сотрудничестве с NSF.