Сильные солнечные и катастрофические звездные вспышки

Может ли цивилизация погибнуть от аномально мощной солнечной вспышки? Этот вопрос интенсивно обсуждается в прессе, причем всплеск интереса произошел в конце прошлого года после публикации одной из цитируемых ниже работ.

Для начала определимся с пониманием того, что такое солнечная вспышка. Солнце — мощный генератор магнитного поля, причем с двумя глобальными модами, между которыми идет перекачка энергии туда-сюда с периодом 22 года: тороидальной и дипольной (полоидальной) составляющими. В этом описании очень важны два обстоятельства:

1. Магнитное поле вморожено в вещество Солнца из-за огромной проводимости солнечной плазмы. Любое поперечное движение силовых линий относительно вещества индуцирует токи, которые компенсируют это движение. Двигающееся вещество, будь то глобальное движение или хаотичная турбулентность, тянет поле за собой.
2. Солнце вращается вовсе не как твердое тело. Экватор и низкие широты вращаются быстрей, чем высокие широты. Из-за этого меридиональное поле наматывается витками по широте — в результате в толще Солнца образуются два глобальных обруча по сторонам от экватора (рис. 1), мы наблюдаем их эффект как цепи солнечных пятен над ними.

Максимум солнечной активности — это максимальная мощность этих магнитных обручей при минимальной дипольной составляющей. Плазма с магнитным полем в равновесии легче, чем без поля, — оно дает дополнительное давление. Поэтому магнитное поле стремится всплыть и всплывает в виде огромных петель. Там, где у этих петель «ноги», возникают солнечные пятна: магнитное поле препятствует передаче тепла, и поверхность охлаждается до 4000 °K. И когда сходятся «ноги» двух петель противоположной полярности, они начинают пересоединяться — это и есть солнечная вспышка.

Магнитное поле, заключающее в себе огромную энергию, аннигилирует: из двух петель получается одна. Высвободившаяся энергия передается частицам, через них — гамма- и рентгеновским квантам. Они прилетают через 8 минут после начала вспышки, которая обычно продолжается от нескольких минут до нескольких десятков минут.

Сами частицы больших энергий распирают петлю и улетают — это называется корональный выброс. Облако частиц достигает Земли через пару дней и плющит нашу магнито­сферу. Происходит то, что называется «магнитной бурей»: пропадает радиосвязь, а в линиях передач индуцируется скачок напряжения.

Это, в общем, рутинные события, мелкие неприятности. Однако по крайней мере одна вспышка за всю историю наблюдений и последовавшая за ней магнитная буря вышли далеко за рамки рутины. Это хорошо известное Квебекское событие, когда в большей части канадской провинции Квебек на несколько дней отрубилось электричество — именно из-за индукционных наводок в линиях передач.

Другая знаменитая вспышка, вызвавшая сильнейшую геомагнитную бурю, произошла в 1859 году — так называемое Событие Каррингтона, по имени описавшего ее астронома. В тот раз полярное сияние наблюдалось вплоть до Кубы, вышел из строя телеграф, а если бы в то время существовали электросети, то вышли бы из строя и они. Современные оценки ущерба от подобной геомагнитной бури дают цифру 2–3 трлн долл. (только для США). Полное энерговыделение сильнейших «исторических» вспышек — порядка 10³² эрг. Это существенно меньше, чем Солнце выделяет за секунду (4 10³³ эрг/с), но производит большой эффект из-за жесткости выделенного излучения и ускоренных частиц.

Событие Каррингтона — самая сильная вспышка за время инструментальных наблюдений, но далеко не самая сильная в исторические времена. В 775 году произошел подброс содержания радиоактивного изотопа ¹⁴С в кольцах деревьев (дуб и кедр) и изотопа ¹⁰Ве в годовых слоях гренландского льда. Эта вспышка была по меньшей мере в 40 раз сильней, чем любая из вспышек, зарегистрированных в космическую эпоху, и превосходила по энерговыделению 10³³ эрг.

Илья Усоскин (Университет Оулу, Финляндия) в своем обзоре [2] утверждает, что это — самое сильное событие в голоцене, начавшемся 11 тыс. лет назад. Он же в частном сообщении высказал мнение, что это вообще близко к теоретическому пределу мощности солнечной вспышки; по его словам, этот предел с некоторым усилием можно дотянуть до 10³⁴ эрг, но не более того. Тем не менее существуют молодые звезды класса Солнца (класс G), чьи вспышки выделяют до 10³⁶ эрг, и более старые, вращающиеся с той же скоростью, что и Солнце, со вспышками до 10³⁵ эрг. То есть существуют аналоги Солнца со вспышками почти в тысячу раз сильней рекордсменов последних 50 лет. Эти вспышки видят в данных космического телескопа «Кеплер», который был нацелен на поиск экзопланет, но принес массу другой ценной информации.

«Кеплер» видит вспышки большого числа звезд. Конечно, он наблюдает только достаточно сильные события, причем видит их не в рентгене, а в оптике. Примеры вспышек, взятые из статьи [3], показаны на рис. 3. Можно в очередной раз отметить потрясающее качество данных: «Кеплер» прекрасно видит колебания блеска из-за неравномерного распределения пятен на поверхности звезды, так что можно оценить суммарную площадь пятен.

В обстоятельной статье [4] авторы задаются вопросом: есть ли среди «супервспышечных» звезд, обнаруженных «Кеплером», медленно вращающиеся звезды, подобные Солнцу? При этом они использовали данные космического телескопа Gaia, нацеленного на астрометрические измерения и наблюдения на наземном телескопе. Ответ оказался положительным.

Звездные супервспышки вместе с измеренными солнечными вспышками показаны на рис. 4. Облако событий «Кеплера» лежит достаточно далеко и отделено от облака солнечных вспышек большим промежутком. Эти облака представляют разные явления или одно и то же, искаженное наблюдательной селекцией? Может ли распределение интерпретироваться так, что «Кеплер» не видит слабых вспышек, а наблюдения за Солнцем слишком коротки по времени, чтобы на нем произошли сильные? Пожалуй, нет. Скорее всего, это все-таки разные явления, но распространяется ли второе из них, катастрофическое, на звезды типа Солнца и, может быть, на наше Солнце?

На рис. 5 показано распределение мощности вспышек в зависимости от скорости вращения звезды. Слева — молодые, быстро вращающиеся звезды класса G, справа — медленно вращающиеся, старые. Период обращения Солнца — 24 дня. Видно, что есть отрицательная корреляция между периодом вращения и мощностью супервспышек, но всё равно последние дотягивают до 10³⁵ эрг и у медленно вращающихся звезд. Данные Gaia и наземного телескопа APO 3.5 m не демонстрируют какого-либо отличия тех звезд от Солнца.

Что произойдет, если Солнце взбрыкнет подобным образом? Если бы аномальная вспышка произошла до середины XIX века, не случилось бы ничего плохого, разве что пострадал бы озоновый слой Земли. Зато люди подивились бы чудесному сиянию неба. Произойди вспышка типа 10³⁵ эрг сейчас, цивилизация понесла бы тяжелейший урон, большие человеческие потери, а потом много лет бы восстанавливалась. Для этого даже не нужно такой мощности: события 775 года вполне могло бы хватить.

А что произойдет в прогнозируемом технологическом будущем, когда человек будет сильнее зависеть от искусственной среды, — даже представить страшно. Мои собственные фантазии на эту тему (не претендующие на статус научного прогноза) можно прочесть в книге «Феникс сапиенс» [5]. Однако, на мой взгляд, человечеству не стоит забывать о возможности такой сильной вспышки. Необходимо подумать о том, как к ней подготовиться. Предупрежден — вооружен.

Борис Штерн

1. Augustson et al. // ApJ. 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. // Earth, Planets and Space. 2015. 67:59. earth-planets-space.springeropen.com/articles/10.1186/s40623-015-0217-z
4. Yuta Notsu et al. // ApJ. 1 May 2019. 876:58. iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab14e6/meta
5. Штерн Б. Феникс сапиенс. Троицк: Троицкий вариант, 2020.