Grupa naukowców z Instytutu Badań Układu Słonecznego im. Maxa Plancka (MPS) w Niemczech poczyniła znaczący postęp w zrozumieniu jednej z najbardziej irytujących tajemnic Słońca: w jaki sposób nasza gwiazda napędza cząstki tworzące gwiazdę wiatr słoneczny w kosmos?
Informacje oferują wyraźną perspektywę na kluczowy obszar korony słonecznej, do którego badacze wcześniej mieli trudności. Tam zespół po raz pierwszy zarejestrował dynamiczną sieć struktur plazmowych przypominających długą, splecioną sieć. Wyraźny obraz pojawia się, gdy połączy się dane z różnych sond kosmicznych i kompleksowe symulacje komputerowe: energia magnetyczna zostaje wyładowana, a cząstki uciekają w przestrzeń kosmiczną, gdzie oddziałują wydłużone struktury sieci koronalnej.
Geostacjonarne operacyjne satelity środowiskowe (GOES) amerykańskiej Narodowej Administracji Oceanicznej i Atmosferycznej (NOAA) tradycyjnie zajmowały się sprawami innymi niż Niedz.
Odkrywcza kampania obserwacyjna mająca na celu zobrazowanie rozszerzonej korony słonecznej odbyła się w sierpniu i wrześniu 2018 r. Przez ponad miesiąc należąca do GOES kamera Solar Ultraviolet Imager (SUVI) jak zwykle patrzył bezpośrednio na Słońce i rejestrowała obrazy po obu jej stronach.
Dr Dan Seaton z SwRI, który podczas kampanii obserwacyjnej pełnił funkcję głównego naukowca w SUVI, powiedział: „Mieliśmy rzadką okazję wykorzystania instrumentu w nietypowy sposób do obserwacji regionu, który nie został jeszcze zbadany. Nie wiedzieliśmy nawet, czy to zadziała, ale gdyby tak było, dokonalibyśmy ważnych odkryć”.
Korona pośrednia, warstwa atmosfery słonecznej znajdująca się 350 tysięcy kilometrów nad widzialnym powierzchnia Słońca, można było po raz pierwszy sfotografować w świetle ultrafioletowym poprzez połączenie zdjęć z różnych kątów widzenia, co znacznie zwiększyło pole widzenia instrumentu.
Dr Pradeep Chitta z MPS, główny autor nowego badania, powiedział: „W środkowej koronie badania słoneczne wykazały coś w rodzaju martwego punktu. Dane GOES zapewniają obecnie znaczną poprawę. Naukowcy podejrzewają, że w środkowej koronie zachodzą procesy napędzające i modulujące wiatr słoneczny.
© Nature Astronomy, Chitta et al. / GOES/SUVI / SOHO/LASCO
Jednym z najbardziej rozległych aspektów naszej gwiazdy jest wiatr słoneczny. Heliosfera, bańka rozrzedzonej plazmy, która oznacza strefę wpływów Słońca, powstaje w wyniku strumienia naładowanych cząstek, które Słońce wyrzuca w przestrzeń kosmiczną i przemieszcza się do granic naszego Układu Słonecznego. Wiatr słoneczny dzieli się na komponenty szybkie i wolne, w zależności od jego prędkości. Wnętrza dziur koronalnych – obszarów, które wydają się ciemne w koronalnym promieniowaniu ultrafioletowym – to miejsce, z którego powstaje tak zwany szybki wiatr słoneczny, który może przemieszczać się z prędkością ponad 500 kilometrów na sekundę. Mniej wiadomo jednak o pochodzeniu powolnego wiatru słonecznego. Jednak nawet cząsteczki powolnego wiatru słonecznego przemieszczają się w przestrzeni z prędkością ponaddźwiękową od 300 do 500 km/s.
Gorąca plazma koronowa o temperaturze ponad miliona stopni musi uciec ze Słońca, aby utworzyć powolny wiatr słoneczny. Jaki mechanizm tu działa? Co więcej, powolny wiatr słoneczny nie jest jednorodny, ale przynajmniej częściowo ujawnia przypominającą promienie strukturę wyraźnie rozróżnialnych smug. Gdzie i jak powstają? Na te pytania odpowiada nowe badanie.
W danych GOES, które przykuły uwagę badaczy, widać obszar w pobliżu równika: dwie dziury koronalne, przez które wiatr słoneczny oddala się od Słońca bez przeszkód, w pobliżu obszaru o silne pole magnetyczne. Uważa się, że te interakcje między systemami są potencjalnym źródłem powolnego wiatru słonecznego.
Środkową koronę nad tym obszarem przedstawiają wydłużone struktury plazmowe, które w danych GOES są skierowane promieniowo na zewnątrz. Zjawisko to, które zostało bezpośrednio zaobserwowane po raz pierwszy, zespół autorski określa mianem sieci koronalnej. Struktury sieci często wchodzą w interakcje i reorganizują się.
Naukowcy od dawna wiedzieli, że plazma słoneczna korony zewnętrznej ma podobną architekturę. Od kilkudziesięciu lat koronograf LASCO (Large Angle and Spectrometric Coronagraph) znajdujący się na pokładzie statku kosmicznego SOHO, który w zeszłym roku obchodził swoje 25-lecie, dostarcza obrazy z tego regionu w świetle widzialnym.
Naukowcy uważają, że powolny wiatr słoneczny, który rozpoczyna swoją podróż w przestrzeń kosmiczną, ma strukturę podobną do strumienia strumieniowego. Jak w imponujący sposób wykazało ostatnie badanie, struktura ta dominuje już pośrodku corona.
Naukowcy zbadali także informacje z innych sond kosmicznych, aby lepiej zrozumieć to zjawisko: współczesne zdjęcie powierzchni Słońca wykonało Obserwatorium Dynamiki Słońca (SDO) NASA, natomiast widok z boku wykonała sonda kosmiczna STEREO-A, która krąży wokół Słońca przed Ziemią od 2006 roku.
Dr Cooper Downs z Predictive Science Inc., który przeprowadził symulacje komputerowe, powiedział: „Korzystając z nowoczesnych technik obliczeniowych, które obejmują obserwacje Słońca za pomocą teledetekcji, badacze mogą wykorzystać superkomputery do budowania realistycznych modeli 3D nieuchwytnego pola magnetycznego w koronie słonecznej. W tym badaniu zespół wykorzystał zaawansowany model magnetohydrodynamiczny (MHD) do symulacji pola magnetycznego korony i stanu plazmy w tym okresie”.
Dr Cooper Downs z Predictive Science Inc., który przeprowadził symulacje komputerowe, powiedział: „Pomogło nam to połączyć fascynującą dynamikę, którą zaobserwowaliśmy w środkowej koronie, z dominującymi teoriami powstawania wiatru słonecznego”.
Czitta powiedziany, „Jak pokazują obliczenia, struktury sieci koronalnej podążają za liniami pola magnetycznego. Nasza analiza sugeruje, że architektura pola magnetycznego w środkowej koronie jest odciśnięta na powolnym wietrze słonecznym i odgrywa ważną rolę w przyspieszaniu cząstek w przestrzeń kosmiczną. Według nowych wyników zespołu gorąca plazma słoneczna w środkowej koronie przepływa wzdłuż otwartych linii pola magnetycznego sieci koronalnej. Tam, gdzie linie pola przecinają się i oddziałują na siebie, uwalniana jest energia.
„Wiele wskazuje na to, że badacze dotarli do fundamentalnego zjawiska. W okresach dużej aktywności słonecznej dziury koronalne często występują w pobliżu równika, w pobliżu obszarów o dużym natężeniu pola magnetycznego. Dlatego jest mało prawdopodobne, aby obserwowana przez nas sieć koronalna była odosobnionym przypadkiem.”
Zespół ma nadzieję uzyskać dalsze i bardziej szczegółowe informacje z przyszłych misji słonecznych. Część z nich, jak planowana na 3 rok misja ESA Proba-2024, jest wyposażona w instrumenty namierzające środkową koronę. MPS bierze udział w przetwarzaniu i analizie danych pochodzących z tej misji. Razem z danymi obserwacyjnymi z obecnie działających sond, takich jak należąca do NASA Parker Solar Probe i należąca do ESA Solar Orbiter, które opuszczają linię Ziemia-Słońce, umożliwi to lepsze zrozumienie trójwymiarowej struktury sieci koronalnej.
Referencje czasopisma:
- L.P. Chitta, D.B. Seaton, C. Downs, CE DeForest, A.K. Higginsona. Bezpośrednie obserwacje złożonej sieci koronalnej napędzającej wysoce zorganizowany, powolny wiatr słoneczny. Natura Astronomia, 24 listopada 2022 r. DOI: 10.1038/s41550-022-01834-5
