Лента по имени Стив: как любители неба назвали свет, который наука проглядела
Холодной ясной ночью зимой 2015 года небольшая группа фотографов стояла в темноте где-то в канадской провинции Альберта, штативы утоплены в снег, в ожидании северного сияния. То, что поднялось над ними, не было северным сиянием. Вместо знакомых зеленых занавесей, колышущихся вдоль горизонта, поперек неба с востока на запад протянулась тонкая лента бледно-лилового цвета, узкая и с резкими краями, словно царапина света, прочерченная по линейке. Она не качалась так, как качается сияние. Она висела там, светясь лиловым, иногда обрамленная вдоль нижнего края рядом коротких зеленых полос, которые не одному наблюдателю показались частоколом, поставленным на ребро.
Фотографы видели это и раньше. Они снимали это годами и все равно понятия не имели, что это такое. Они состояли в группе на Фейсбуке под названием Alberta Aurora Chasers, вольном сообществе любителей, которые в морозные ночи выезжали охотиться за небом. Между собой они привыкли называть странную лиловую дугу "Стивом", нарочито пустым, нарочито бессмысленным именем-заглушкой, заимствованным из мультфильма 2006 года "Лесная братва", где перепуганные звери дают незнакомому предмету безобидное человеческое имя, чтобы он перестал их пугать. Шутка прижилась, а снимки продолжали накапливаться.
Охотники поделились фотографиями с двумя людьми, которые могли бы знать: Элизабет Макдональд, ученой по космической погоде из НАСА и основательницей Aurorasaurus, проекта, созданного, чтобы вплетать наблюдения обычных людей в настоящие исследования, и Эриком Донованом, физиком сияний из Университета Калгари. За плечами Макдональд и Донована были десятилетия изучения верхней атмосферы. Ни один из них не мог сказать, что такое Стив. Они смотрели на яркую структуру, выгибающуюся дугой над населенными городами, снимаемую ночь за ночью, которой не было в научной литературе.
Донован заключил, что ответ не придет из одних лишь фотографий. Требовалось совпадение: спутник, проходящий точно сквозь ленту в тот самый миг, когда камера на земле ловит ее. У Европейского космического агентства были нужные приборы на орбите, тройка спутников под названием Swarm, созданная для измерения магнитного и электрического полей Земли. Донован дождался совмещения, и когда он сопоставил наземное наблюдение Стива с пролетом Swarm, цифры поразили. На высоте, где светился Стив, примерно 450 километров вверх, спутник пролетел сквозь ленту газа шириной около 25 километров, где температура подскакивала примерно до 3000 градусов Цельсия и где заряженные частицы неслись на запад со скоростью около шести километров в секунду, в тысячи раз быстрее воздуха по обе стороны.
Это измерение дало временному имени постоянный дом. В статье 2018 года, опубликованной в Science Advances, первом рецензируемом исследовании явления, команда сохранила выбранное охотниками имя, но задним числом превратила его в аббревиатуру: Strong Thermal Emission Velocity Enhancement, сильное усиление скорости теплового излучения. Стив стал STEVE. Это был редкий случай, когда профессиональная наука официально принимает ярлык, придуманный любителями, и он зафиксировал открытие, прошедшее путь от альбома на Фейсбуке до научного журнала чуть более чем за два года.
Aurorasaurus стал соединительной тканью этой работы. Это была площадка, где обычные люди могли фиксировать увиденное и где исследователи могли искать редкие совпадения, превращающие анекдот в доказательство. В последующие годы поступили сотни сообщений о наблюдениях. Вместе они установили, что Стив не причуда одной камеры или одной ночи, а повторяющаяся, воспроизводимая черта субаврорального неба, и что он склонен появляться на более низких широтах, чем классическое сияние, ближе к тем местам, где на самом деле живет большинство людей.
Физика, которую измерил Swarm, сама по себе не была новой. Быстрые западные потоки горячей плазмы на таких высотах хорошо известны специалистам под другим именем: субавроральный ионный дрейф, или SAID, описываемый в рамках более широкого семейства субавроральных поляризационных потоков. Эти потоки изучались десятилетиями. Чего с ними никогда не связывали, так это видимого света. SAID считался невидимым, рекой энергии, которую приборы могут засечь, а глаза увидеть не могут. Снимки из Альберты, сопоставленные со спутниковыми данными, установили, что субавроральный ионный дрейф может сопровождаться свечением, достаточно ярким, чтобы снять его с обочины дороги.
Исследование 2018 года установило и то, чем Стив не является. Обычное сияние светится потому, что заряженные частицы из космоса проливаются вниз вдоль линий магнитного поля и бьют по кислороду и азоту высоко в атмосфере, возбуждая эти атомы, пока те не высвободят свет. Этот ливень называется высыпанием, и это двигатель всякого классического сияния. Когда исследователи изучили спутниковые и наземные данные по Стиву, они не нашли сколько-нибудь значимого высыпания электронов, падающего в лиловую ленту. На этом основании статья 2018 года и последующие работы прямо утверждают, что Стив не сияние, даже если он появляется рядом с сиянием и выглядит для неискушенного глаза как его родственник.
Спектроскопия уточнила картину еще больше. Когда прибор Transition Region Explorer в Канаде поймал свет Стива и разложил его в спектр в 2019 году, оказалось, что у лиловой ленты нет ни одной чистой сигнатуры. Не было ни одной яркой линии излучения, только широкий континуум цвета, тот мазок, какой дает нагрев, а не дискретные атомные отпечатки, какие оставляет сияние. Зеленые полосы рядом дали иное показание. Их свет определялся излучением кислорода на 557,7 нанометра, тем самым зеленым, что производят обычные сияния.
Итак, в деле теперь есть измеренная высота, измеренная ширина, измеренная температура, измеренная скорость, официальное имя в рецензируемом журнале, подтвержденная связь с субавроральными ионными дрейфами, доказанное отсутствие высыпания электронов и два различных спектральных поведения, стоящих бок о бок в одной структуре. Стив одно из немногих явлений современной космической науки, которое было названо любителями, каталогизировано любителями и лишь затем передано приборам.
Выводы и открытые вопросы
Чего в деле нет, так это механизма. Ученые знают, где формируется Стив и на чем он едет, и до сих пор не могут объяснить из первых принципов, как субавроральный ионный дрейф вообще порождает свет.
Ведущее объяснение, выдвинутое командой Science Advances и развитое в последующих модельных работах, состоит в том, что свечение по природе тепловое: газ, движущийся со скоростью шесть километров в секунду против более медленной окружающей плазмы, нагревается трением и столкновениями, а нагретый газ излучает тот широкий лиловый континуум, который записал спектрограф. Его слабость в том, что ни одна опубликованная модель не воспроизводит наблюдаемую яркость и спектр в деталях из измеренных условий, поэтому исследователи описывают излучение как континуум неясного происхождения, а не как решенный процесс.
Вторая теория, выдвинутая исследователями, изучавшими спектр 2019 года, касается зеленого частокола, а не лиловой ленты. Она гласит, что электрические поля, выровненные с магнитным, разгоняют электроны локально, там внизу, где формируется частокол, позволяя им бить по атмосфере и светиться без падения частиц из космоса. Она хорошо согласуется с кислородной сигнатурой. Ее слабость в охвате: она ничего не говорит о самой лиловой ленте, а требуемое ею локальное ускорение не было измерено напрямую во время события Стива.
Третья позиция, вытекающая из двух спектров, состоит в том, что частокол и лента зажигаются двумя несвязанными процессами, которые лишь совпадают. Ее слабость в том, что само совпадение остается необъясненным, и она не отвечает, почему частокол в одни ночи появляется до Стива, в другие после того, как он гаснет, а во многие вовсе нет.
Некоторые утверждают, что Стив был виден над обитаемой землей столько же, сколько люди смотрят вверх, и что старая литература о сияниях усеяна упоминаниями лиловых дуг и необъяснимых лиловых полос, которые и были наблюдениями Стива, записанными и забытыми, потому что не было рамки, чтобы их удержать. Это правдоподобное прочтение. Его слабость в том, что те старые записи слишком расплывчаты для проверки и задним числом неотличимы от обычных форм сияния.
Одна теория гласит, что вся эта история говорит не столько о небе, сколько об институтах, которые его изучают: яркая структура над населенными городами десятилетиями оставалась незамеченной не потому, что ее трудно было увидеть, а потому, что она лежала вне того, что дипломированные наблюдатели ожидали найти, и что другие явления упускаются по той же причине прямо сейчас. Это довод о научном внимании, а не о физике, и проверить его нельзя.
Открытые вопросы конкретны. Почему субавроральный ионный дрейф, присутствующий во многие ночи, лишь иногда вспыхивает видимой лентой? Что именно заставляет лиловый континуум светиться, если не падающие частицы? Почему частокол появляется лишь иногда и без устойчивого порядка относительно ленты? Где кончается Стив и начинается сияние в те ночи, когда оба движимы одним и тем же возмущением в околоземном пространстве? И сколько старых сообщений о сиянии тихо вплели наблюдение Стива в летопись, а разницы никто не заметил? Стива назвали, определили его положение, замерили время и параметры. Объяснили ли его, вопрос отдельный, и работающие над ним исследователи не утверждают обратного.