В Солнечной системе существует гигантский колеблющийся занавес из заряженных частиц, который считается крупнейшей структурой в нашей планетной системе. Это образование, известное как гелиосферный токовый слой (HCS), обозначает границу, где Солнце меняет свои магнитные полюса, и originates из светящихся плазменных петель на его поверхности, называемых шлемовидными стримерами. До недавнего времени изучение этого явления проводилось только вблизи Земли с помощью космических аппаратов SoHo и Wind. Однако новая научная работа, подготовленная группой Кейичи Огасавары из Юго-Западного исследовательского института (SwRI), использовала данные миссии Solar Orbiter, совместного проекта ESA и NASA, чтобы зафиксировать этот слой на расстоянии примерно одной трети дистанции до Земли — до того, как взаимодействия с межзвездным пространством и солнечным ветром изменят его структуру.
Solar Orbiter пересек участок гелиосферного токового слоя на расстоянии 0,3 астрономической единицы от Солнца 13 апреля 2023 года, при этом все приборы аппарата работали в усиленном режиме. Ключевую роль в сборе данных о частицах, составляющих этот слой, сыграл датчик тяжелых ионов (SWA-HIS). Результаты показали, что HCS представляет собой не просто плоскую магнитную линию, а скорее многослойную структуру, наполненную магнитными аномалиями и переменным давлением плазмы.
Одно из главных открытий касается электронов. Непосредственно перед входом аппарата в основное тело гелиосферного токового слоя была зафиксирована зона, где быстрые пучки электронов, известные как штралы, внезапно прекращались. При этом протоны в солнечном ветре двигались примерно на 50 километров в секунду быстрее. Эти особенности позволили исследователям предположить, что данная область служит местом магнитного пересоединения — процесса, при котором магнитные линии Солнца разрываются и выбрасывают сгустки плазмы.
Несмотря на значительные изменения магнитного поля внутри гелиосферного токового слоя, соотношения тяжелых ионов углерода и кислорода оставались удивительно стабильными. Эти ионные вариации формируются вблизи Солнца, и когда ионы выносятся в Солнечную систему солнечным ветром, они достигают так называемой «высоты закалки», которая составляет примерно один-два радиуса звезды. В этой точке ионные соотношения фиксируются, поскольку атомы больше не могут легко захватывать или терять электроны. Solar Orbiter обнаружил, что магнитный хаос в HCS не влияет на способность этих атомов обмениваться электронами, что позволяет исследователям прослеживать данные соотношения вплоть до их происхождения.
При сохранении стабильности ионных соотношений отдельных элементов были отмечены заметные изменения в концентрациях разных веществ. Исследователи зафиксировали резкое падение отношения железа к кислороду (Fe/O). Солнечный ветер обычно захватывает элементы с низким первым потенциалом ионизации (FIP), который показывает, сколько энергии необходимо для отрыва электрона от нейтрального атома. Железо является одним из наиболее распространенных таких элементов, тогда как кислород имеет очень высокий FIP и потому игнорируется солнечным ветром. По мере приближения Solar Orbiter к центру HCS было зафиксировано резкое снижение этого показателя, который в итоге достиг значения, схожего с составом фотосферы Земли. Ученые связывают это с гравитацией: тяжелые ионы, включая железо, надолго задерживаются в гигантских замкнутых магнитных петлях у Солнца и постепенно опускаются к светилу, прежде чем удерживающая их плазма выбрасывается в пространство.
Отдельная часть исследования касалась температуры кислорода по сравнению с протонами в гелиосферном токовом слое. Кислород еще не успел уравновесить свою температуру с окружающими протонами на расстоянии 0,3 астрономической единицы, что делает измерения в этой точке особенно ценными для понимания процессов, происходящих с ним в путешествии по Солнечной системе. Кислород испытал многочисленные температурные всплески, которые коррелировали с увеличением зарядового соотношения O7+ / O6+, но при этом отрицательно соотносились с зарядовым соотношением углерода. По мнению ученых, избирательный нагрев кислорода вызывается альфвеновскими циклотронными волнами, которые передают энергию определенным ионам перпендикулярно магнитному полю, тогда как альфа-частицы поглощают энергию, которая в противном случае досталась бы атомам углерода, не позволяя им нагреваться, как сообщается в материале Universe Today.