Nigdy nie widzieliśmy Słońca z taką dokładnością. Wielka zagadka rozwiązana

Słońce wydaje się jednym z najlepiej poznanych obiektów we Wszechświecie. Obserwujemy je od tysięcy lat, a współczesne teleskopy naziemne i kosmiczne nieustannie dostarczają nowych danych.

Mimo to wiele procesów zachodzących na jego powierzchni i w atmosferze wciąż pozostaje zagadką. Teraz naukowcy wykonali krok, który może znacząco zmienić stan wiedzy o naszej gwieździe.

Na łamach prestiżowego czasopisma Nature opublikowano wyniki badań opartych na obrazach wykonanych przez Daniel K. Inouye Solar Telescope, największy i najpotężniejszy teleskop słoneczny na świecie. Uzyskane fotografie przedstawiają fotosferę, czyli widoczną powierzchnię Słońca, z niespotykaną dotąd szczegółowością. Zdjęcia po raz pierwszy dostarczyły jednoznacznych dowodów na istnienie niestabilności Kelvina-Helmholtza w fotosferze, czyli widocznej powierzchni Słońca.

Dzięki temu badaczom udało się po raz pierwszy bezpośrednio zaobserwować zjawisko, którego istnienie przez lata przewidywały jedynie modele teoretyczne.

Daniel K. Inouye Solar Telescope znajduje się na szczycie wulkanu Haleakalā na hawajskiej wyspie Maui. Jego główne zwierciadło ma średnicę czterech metrów, dzięki czemu instrument zbiera około siedmiokrotnie więcej światła niż inne teleskopy słoneczne tej klasy. To właśnie ta ogromna zdolność pozwala rejestrować struktury o rozmiarach, których wcześniej nie dało się dostrzec.

Naukowcy początkowo nie planowali wielkiego odkrycia. Celem zespołu było opracowanie metod pozwalających w pełni wykorzystać możliwości teleskopu i uzyskać obrazy o maksymalnej jakości. Dopiero analiza pierwszych zdjęć ujawniła niezwykle charakterystyczne struktury przypominające wirujące fale.

Badacze szybko zorientowali się, że obserwują coś, czego dotąd nie udało się zobaczyć na powierzchni Słońca.

Nowe zdjęcia i sekwencje poklatkowe pokazują fotosferę jako niezwykle dynamiczne środowisko. Na granicach obszarów o silnym polu magnetycznym naukowcy zaobserwowali tysiące niewielkich wirów przypominających wodne wiry lub fale załamujące się na brzegu morza.

To właśnie charakterystyczny podpis niestabilności Kelvina-Helmholtza, zjawiska znanego z mechaniki płynów, które pojawia się wtedy, gdy dwie warstwy cieczy lub gazu poruszają się obok siebie z różnymi prędkościami. Na granicy między nimi tworzą się zaburzenia, które z czasem rozwijają się w charakterystyczne fale i wiry.

Podobne procesy można zaobserwować również na Ziemi. Tworzą one efektowne, falujące chmury czy wiry pojawiające się na granicy mas powietrza. Fizycy od dawna przypuszczali, że analogiczne zjawisko występuje również w plazmie tworzącej powierzchnię Słońca. Dotychczas jednak brakowało instrumentów oferujących odpowiednią rozdzielczość, aby jednoznacznie potwierdzić jego obecność.

Dopiero obrazy z teleskopu Inouye pozwoliły zobaczyć te niewielkie struktury bezpośrednio.

Odkrycie niewielkich wirów na powierzchni Słońca może pomóc rozwiązać jedną z największych zagadek współczesnej astrofizyki.

Temperatura fotosfery wynosi około 5500 stopni Celsjusza. Tymczasem korona słoneczna, czyli bardzo rozrzedzona zewnętrzna atmosfera Słońca, osiąga nawet dwa miliony stopni. To oznacza, że obszar znajdujący się dalej od źródła energii jest nawet kilkaset razy gorętszy od samej powierzchni gwiazdy.

Jest to sprzeczne z intuicją i klasycznym obrazem przepływu ciepła. Od dziesięcioleci naukowcy próbują ustalić, skąd pochodzi energia ogrzewająca koronę. Jedna z hipotez zakładała, że niestabilność Kelvina-Helmholtza może skutecznie transportować energię z niższych warstw atmosfery ku górze. Najnowsze obserwacje dostarczają pierwszych mocnych argumentów przemawiających za tą możliwością.

Nowe obserwacje mogą również pomóc wyjaśnić zachowanie pola magnetycznego naszej gwiazdy.

Słońce przechodzi regularny cykl aktywności trwający około 11 lat. W tym czasie bieguny magnetyczne zamieniają się miejscami, a całe pole magnetyczne ulega przebudowie. W skali kosmicznej jest to proces wyjątkowo szybki.

Modele komputerowe od dawna wskazywały, że samo istnienie takich cykli wymaga bardzo skutecznego rozpraszania i ponownego organizowania pól magnetycznych. Dotychczas nie było jednak jasne, jakie mechanizmy odpowiadają za tak sprawny przebieg tych zmian.

Niestabilność Kelvina-Helmholtza bardzo efektywnie miesza plazmę oraz rozprasza energię magnetyczną. Oznacza to, że może być jednym z kluczowych elementów odpowiadających za funkcjonowanie całego cyklu aktywności słonecznej.

Od wielu lat fizycy próbują odpowiedzieć na pytanie, skąd bierze się energia napędzająca aktywność magnetyczną Słońca.

Pole magnetyczne naszej gwiazdy nie pozostaje nieruchome. Linie pola nieustannie się skręcają, splatają i gromadzą energię. Gdy naprężenia stają się zbyt duże, dochodzi do gwałtownego przełączenia konfiguracji pola magnetycznego, czyli rekoneksji magnetycznej. W efekcie uwalniane są ogromne ilości energii prowadzące do rozbłysków słonecznych, wyrzutów plazmy oraz koronalnych wyrzutów masy.

Od dawna wiadomo było, że linie pola magnetycznego muszą być w jakiś sposób stale skręcane. Znacznie trudniej było odpowiedzieć na pytanie, jaki mechanizm odpowiada za ten proces.

Nowo odkryte wiry mogą okazać się właśnie brakującym elementem tej układanki. Ponieważ pojawiają się praktycznie wszędzie tam, gdzie występuje odpowiednio silne pole magnetyczne, mogą nieustannie wprawiać linie pola w ruch, dostarczając energii potrzebnej do dalszej ewolucji całego układu.

Odkrycie nie byłoby możliwe bez możliwości obserwacyjnych teleskopu Daniel K. Inouye Solar Telescope. Jego zwierciadło o średnicy czterech metrów pozwala rejestrować szczegóły o rozmiarach kilkudziesięciu kilometrów na powierzchni Słońca.

Dla porównania, średnica naszej gwiazdy wynosi niemal 1,4 mln km. To oznacza, że badacze potrafią dziś obserwować struktury stanowiące zaledwie ułamek promila całej tarczy słonecznej.

Na obrazach naukowcy dostrzegli dziesiątki wirów rozmieszczonych wzdłuż granic obszarów magnetycznych. Ich średnia odległość od siebie wynosiła od 50 do 65 km.

Same obserwacje nie wystarczyłyby do postawienia tak mocnych wniosków. Dlatego naukowcy zestawili obrazy z wynikami zaawansowanych symulacji komputerowych wykonanych przy użyciu jednego z najbardziej rozwiniętych modeli magnetohydrodynamicznych atmosfery słonecznej MURaM.

Model odtwarza zachowanie plazmy na podstawie równań opisujących oddziaływanie gazu, promieniowania oraz pola magnetycznego. W symulacjach pojawiły się praktycznie identyczne wiry jak te zarejestrowane przez teleskop.

Zgodność dotyczyła nie tylko samego wyglądu struktur, ale także ich rozmiarów, rozmieszczenia oraz dynamiki. To właśnie połączenie obserwacji, symulacji komputerowych i przewidywań teoretycznych pozwoliło autorom pracy jednoznacznie stwierdzić, że mają do czynienia z niestabilnością Kelvina-Helmholtza.

Odkrycie ma również praktyczne znaczenie. Aktywność magnetyczna Słońca odpowiada za powstawanie zjawisk określanych mianem pogody kosmicznej. To właśnie rozbłyski słoneczne i koronalne wyrzuty masy mogą zakłócać pracę satelitów, systemów GPS, łączności radiowej, a w skrajnych przypadkach również sieci energetycznych na Ziemi.

Nowe wyniki badań pokazują, że niewielkie wiry odgrywają ważną rolę w rozpraszaniu pola magnetycznego i jego ewolucji. Dotychczasowe modele miały problem z wyjaśnieniem, dlaczego pole magnetyczne Słońca zmienia się tak szybko, skoro pełny cykl aktywności trwa zaledwie jedenaście lat. Odkryta niestabilność może odpowiadać za część brakującego mechanizmu odpowiedzialnego za dyfuzję pola magnetycznego.

Lepsze zrozumienie tych procesów oznacza dokładniejsze modele aktywności słonecznej, a w przyszłości także bardziej wiarygodne prognozy pogody kosmicznej. To z kolei ma coraz większe znaczenie dla funkcjonowania współczesnej infrastruktury technologicznej, która w dużym stopniu zależy od satelitów i systemów komunikacyjnych znajdujących się na orbicie okołoziemskiej.