Sonda Parker zajrzała w chaos przy Słońcu. Znalazła ukryty porządek

Sonda Parker Solar Probe zbadała jeden z najbardziej chaotycznych obszarów naszego Układu Słonecznego i znalazła tam coś, czego naukowcy szukali od naprawdę bardzo dawna. W plątaninie pól magnetycznych niesionych przez wiatr słoneczny odkryto wyraźną prawidłowość. Okazuje się, że pozornie przypadkowe zaburzenia układają się w struktury, które rosną podczas oddalania się od naszej gwiazdy.

Międzynarodowy zespół fizyków wykazał również, że pole magnetyczne zachowuje się zupełnie inaczej w małych i dużych skalach. W jednych dominuje skręcanie w prawo, w drugich w lewo. Odkrycie może pomóc rozwiązać jeden z problemów fizyki plazmy, nad którym badacze pracują od około pół wieku.

Słońce nieustannie wyrzuca w przestrzeń strumień naładowanych cząstek, który nazywamy wiatrem słonecznym. Porusza się on z prędkościami sięgającymi setek kilometrów na sekundę i dociera daleko poza orbity planet, wypełniając ogromny obszar Układu Słonecznego.

Razem z cząstkami podróżuje pole magnetyczne. Jego linie nie tworzą jednak spokojnego, uporządkowanego układu, ponieważ nieustannie się odkształcają, falują i skręcają, reagując na ruchy otaczającej je plazmy.

Fizycy nazywają takie zachowanie turbulencją. Podobne zjawiska występują w ziemskiej atmosferze podczas sztormu albo w wodzie przepływającej przez przeszkodę. Różnica polega jednak na tym, że wiatr słoneczny jest plazmą, czyli materią zawierającą swobodne elektrony i jony, która silnie oddziałuje z polem elektromagnetycznym. W dodatku przestrzeń kosmiczna jest tak rozrzedzona, że cząstki plazmy zderzają się ze sobą niezwykle rzadko. Znaczną część ich zachowania wyznaczają więc pola elektryczne i magnetyczne oraz zbiorowe oddziaływania.

Naukowcy od dawna zastanawiali się, jak w takich warunkach powstają turbulencje i w jaki sposób przemieszczają się związane z nimi energia oraz struktury magnetyczne. Teraz obserwacje sondy Parker dostarczyły jednej z brakujących odpowiedzi.

Odkrycia dokonał międzynarodowy zespół kierowany przez Masatomiego Iizawę i Yasuhita Naritę z Politechniki Brunszwickiej, we współpracy z Uniwersytetem Tokijskim oraz naukowcami z innych instytucji. Badacze przeanalizowali niezwykle dokładne pomiary wykonane przez Parker Solar Probe. Szczególnie interesowała ich tzw. heliczność magnetyczna, wielkość opisująca sposób skręcania i wzajemnego splatania się struktur pola magnetycznego.

Żeby wyobrazić sobie to zjawisko, to można pomyśleć o dwóch sprężynach skręconych w przeciwne strony. Z daleka obie wyglądają podobnie, ale po przyjrzeniu się okazuje się, że mają inną orientację. W przypadku pola magnetycznego sytuacja jest bardziej złożona, ponieważ nie chodzi o rzeczywiste metalowe zwoje, lecz o przestrzenną organizację niewidzialnego pola.

Naukowcy odkryli, że w większych skalach zaburzenia pola wykazują przewagę jednego kierunku skręcania, natomiast w mniejszych skalach dominuje kierunek przeciwny. Patrząc wzdłuż kierunku oddalania się od Słońca, można opisać je odpowiednio jako skręcanie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara i zgodnie z nim.

Nie oznacza to jednak, że całe pole magnetyczne Słońca nagle zmienia kierunek obrotu. Chodzi o statystyczną właściwość drobnych zaburzeń znajdujących się wewnątrz wiatru słonecznego. W opublikowanym badaniu autorzy pokazali, że zmiana kierunku skręcania występuje właśnie na granicy dwóch różnych sposobów zachowania plazmy.

Na dużych odległościach między rozpatrywanymi punktami plazmę można w przybliżeniu traktować jak przewodzącą elektrycznie ciecz. Opisuje ją magnetohydrodynamika, która łączy prawa ruchu płynów z elektromagnetyzmem. W odpowiednio małych skalach ten opis przestaje wystarczać. Trzeba uwzględniać zachowanie poszczególnych jonów i elektronów oraz ich oddziaływania z falami elektromagnetycznymi. Parker Solar Probe pozwoliła zbadać właśnie obszar przejściowy pomiędzy tymi dwoma światami.

Okazało się, że wraz z oddalaniem się plazmy od Słońca charakterystyczne zaburzenia heliczności magnetycznej pojawiają się w coraz większych skalach. Naukowcy zaobserwowali przesuwanie się ich sygnałów w widmie pomiarowym ku niższym częstotliwościom. Zjawisko nazwano odwrotną kaskadą heliczności magnetycznej. W zwykłej turbulencji często obserwuje się proces przeciwny: duże wiry rozpadają się na mniejsze, a energia trafia stopniowo do coraz drobniejszych struktur, aż ostatecznie zamienia się w ciepło.

Tutaj zaobserwowano wzrost charakterystycznej skali struktur magnetycznych. Badacze porównują to do efektu śnieżnej kuli, która powiększa się podczas toczenia. Trzeba jednak wyraźnie zaznaczyć, że naukowcy wykryli odwrotną kaskadę heliczności, a nie dowiedli, że cała energia turbulencji płynie od małych struktur do dużych.

Podstawą odkrycia były pomiary wykonane między 29 września a 22 listopada 2021 r. Sonda przemieszczała się wówczas na odległościach od około 0,1 do 0,78 jednostki astronomicznej od Słońca.

Naukowcy połączyli dane z magnetometru instrumentu FIELDS, mierzącego zmiany pola magnetycznego, z informacjami o przepływie protonów dostarczanymi przez zestaw SWEAP. W pobliżu 0,1 jednostki astronomicznej, czyli około 15 mln km od środka Słońca, zidentyfikowali wyraźne sygnały o przeciwnych znakach heliczności, występujące przy częstotliwościach około 10 i 20 Hz.

W kolejnych pomiarach, wykonywanych dalej od gwiazdy, charakterystyczne częstotliwości stawały się coraz niższe. Wyraźna zależność utrzymywała się mniej więcej do 0,4 jednostki astronomicznej. Dalej, w okolicach 0,5 jednostki astronomicznej, uporządkowana struktura przestawała być czytelna.

Autorzy sprawdzili, czy wystarczyłoby zwykłe rozszerzanie się wiatru słonecznego, żeby wyjaśnić takie zachowanie. Okazało się, że obserwowane zmiany nie odpowiadają prostemu modelowi takiego procesu, co przemawia za dodatkowym mechanizmem transportu heliczności. Nie ustalono jeszcze wszystkich szczegółów jego działania. Możliwe, że istotną rolę odgrywają niestabilności plazmy związane z różnicami temperatur protonów w różnych kierunkach oraz generowane przez nie fale.

Na Spider’s Web opisywaliśmy już wcześniej inne odkrycie sondy Parker, dotyczące odmiennego zachowania protonów i ciężkich jonów podczas rekoneksji magnetycznej. Tam chodziło o sposób przyspieszania cząstek podczas gwałtownej przebudowy pola magnetycznego. Najnowsza praca dotyczy natomiast transportu i rozwoju jego drobnych zaburzeń w przepływającym wietrze słonecznym. Są to dwa różne zjawiska, ale oba pokazują, że dotychczasowe modele fizyki plazmy nie opisują jeszcze wszystkich procesów zachodzących w pobliżu naszej gwiazdy.

Znaczenie nowego odkrycia wykracza zresztą poza samo Słońce. Podobne turbulencje występują w ziemskiej magnetosferze, otoczeniu innych gwiazd, a także w plazmie związanej z dyskami akrecyjnymi wokół czarnych dziur. Lepsze zrozumienie ich zachowania może również nam pomóc w opracowywaniu modeli pogody kosmicznej. Zaburzenia pola magnetycznego przemieszczające się wraz z wiatrem słonecznym wpływają na to, jak materia i energia docierają w okolice Ziemi.

Podczas silnych epizodów aktywności słonecznej ich skutki mogą obejmować zakłócenia łączności radiowej, problemy z nawigacją oraz zagrożenia dla satelitów. Dokładniejsze modele turbulencji mogą z czasem poprawić przewidywanie takich zdarzeń, chociaż sama nowa obserwacja nie przekłada się jeszcze na skuteczniejsze ostrzeganie przed burzami geomagnetycznymi.

Badacze wskazują też na możliwe znaczenie dla energetyki termojądrowej. Utrzymywanie rozgrzanej plazmy w reaktorach fuzyjnych wymaga kontrolowania jej niestabilności i transportu energii. Wnioski z naturalnego laboratorium, jakim jest wiatr słoneczny, mogą pomóc rozwijać teorię wykorzystywaną również w takich urządzeniach.

Przeczytaj także:

Parker Solar Probe nie odkryła więc, że turbulencje w pobliżu Słońca znikają albo że można je łatwo przewidzieć. Pokazała, że nawet w pozornie przypadkowych zmianach pola magnetycznego działają prawidłowości, które pozwalają małym zaburzeniom rozwijać się w większe struktury. A to oznacza, że chaos wiatru słonecznego może być znacznie bardziej uporządkowany, niż dotychczas przypuszczano.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI