Pole magnetyczne Słońca robi dziwne skręty. Sonda znalazła przyczynę

Słońce wysyła w przestrzeń nieustanny strumień naładowanych cząstek. Razem z nimi rozciąga się jego pole magnetyczne, które czasami wykonuje niezwykłe skręty, a nawet na krótko odwraca kierunek. Astronomowie od lat próbowali ustalić, gdzie i dlaczego powstają te struktury. Sonda Solar Orbiter przeleciała przez jedno z takich zagięć i pobrała próbki znajdującej się w nim plazmy. W jonach tlenu i węgla naukowcy znaleźli wskazówki pozwalające prześledzić jego pochodzenie aż do atmosfery Słońca. Wyniki sugerują, że dwa konkurencyjne dotąd wyjaśnienia mogą być częściami tego samego procesu.

Wiatr słoneczny nieustannie wypływa z atmosfery naszej gwiazdy, zabierając ze sobą naładowane cząstki i pole magnetyczne. Można byłoby oczekiwać, że daleko od Słońca jego linie będą układać się w stosunkowo uporządkowane struktury, zakrzywiane przede wszystkim przez obrót gwiazdy. Instrumenty sond kosmicznych rejestrują miejsca, w których kierunek pola magnetycznego gwałtownie się zmienia. Niekiedy odchyla się ono niemal o 180 stopni, po czym wraca do wcześniejszego ustawienia.

Takie zjawisko nazywa się magnetycznym switchbackiem. Można wyobrazić sobie elastyczny przewód, który zamiast biec prosto, nagle wygina się w ciasny łuk przypominający literę S. Nie oznacza to, że całe pole magnetyczne Słońca odwraca się w jednej chwili. Zmiana dotyczy lokalnej struktury przemieszczającej się razem z wiatrem słonecznym.

Podobne zaburzenia obserwowano już w latach 70. podczas misji Helios. Znacznie częściej zaczęła je rejestrować sonda Parker Solar Probe, która od 2018 r. zbliża się do Słońca bardziej niż jakikolwiek wcześniejszy statek kosmiczny.

W kwietniu pisaliśmy o tym, jak Parker Solar Probe badała rekoneksję magnetyczną i odkryła różnice w przyspieszaniu protonów oraz cięższych jonów. Te pomiary pokazały, jak złożone procesy napędzają wiatr słoneczny. Nadal brakowało jednak pewnego powiązania pomiędzy konkretnym magnetycznym zagięciem a miejscem jego narodzin.

Tym razem naukowcy wykorzystali wyjątkowo korzystny przelot Solar Orbitera. Sonda znajdowała się mniej więcej w połowie odległości pomiędzy Ziemią a Słońcem, kiedy przecięła bardzo dużą strukturę typu switchback.

Nie ograniczyła się do pomiaru kierunku pola magnetycznego. Instrument Solar Wind Analyser, czyli SWA, zbadał skład plazmy przepływającej wokół statku. Szczególnie ważne okazały się jony tlenu i węgla, które zachowały informacje o warunkach panujących w miejscu ich powstania.

W opublikowanym badaniu zespół kierowany przez naukowców z francuskiego CNRS i Laboratoire de Physique des Plasmas pokazał, że skład tych cząstek wskazuje na ich pochodzenie z gorących, zamkniętych pętli magnetycznych w koronie słonecznej.

Dlaczego właśnie tlen i węgiel pozwoliły to ustalić? W bardzo wysokich temperaturach atomy tracą kolejne elektrony, stając się jonami o różnych ładunkach elektrycznych. Proporcje pomiędzy takimi jonami zależą między innymi od temperatury otaczającej je plazmy. Kiedy materia opuszcza koronę Słońca, rozrzedza się, a dalsze zmiany stanów jonizacji stają się coraz rzadsze. W efekcie jony mogą zachowywać charakterystyczny ślad warunków, w których wcześniej przebywały.

To właśnie ten ślad udało się odczytać instrumentom Solar Orbitera. Badacze nie musieli oglądać momentu narodzin konkretnej struktury, żeby zrekonstruować jej wcześniejszą historię.

Słoneczna korona zawiera zarówno otwarte, jak i zamknięte struktury pola magnetycznego. W pierwszym przypadku linie pola rozciągają się daleko w przestrzeń, tworząc drogę, którą naładowane cząstki mogą uciekać z atmosfery gwiazdy. W drugim przypadku linie tworzą łuki, których oba końce pozostają połączone ze Słońcem. Plazma jest w nich znacznie skuteczniej uwięziona i może osiągać bardzo wysokie temperatury.

Kiedy obszary o różnej konfiguracji pola stykają się ze sobą, może dochodzić do rekoneksji magnetycznej. Linie pola zmieniają wówczas sposób połączenia, a część zgromadzonej energii zostaje uwolniona.

W szczególnym wariancie tego procesu, zwanym rekoneksją wymienną, materia znajdująca się dotychczas w zamkniętej pętli otrzymuje możliwość wydostania się w przestrzeń. Razem z nią może powstać silne zaburzenie pola magnetycznego, które następnie przemieszcza się z wiatrem słonecznym.

Zarejestrowany przez Solar Orbitera skład jonów stanowi mocny argument za takim właśnie scenariuszem. Naukowcy połączyli pomiary sondy ze zdjęciami Słońca i danymi NASA Solar Dynamics Observatory. Następnie zastosowali model pola magnetycznego, który pozwolił odtworzyć prawdopodobny obszar pochodzenia obserwowanej plazmy.

Przez lata badacze rozważali dwa główne wyjaśnienia magnetycznych zagięć. Według pierwszego powstają one blisko Słońca w wyniku rekoneksji. Według drugiego ich rozwój związany jest przede wszystkim z falami i turbulencjami występującymi w przepływającym wietrze słonecznym. Nowe obserwacje sugerują, że nie trzeba wybierać jednej możliwości i odrzucać drugiej.

Rekoneksja może uwalniać plazmę i tworzyć początkowe zaburzenie w koronie. Później, gdy struktura oddala się od gwiazdy, fale magnetohydrodynamiczne i turbulencje mogą wpływać na jej kształt oraz sposób przemieszczania się. Szczególnie ważną rolę przypisuje się falom Alfvéna, w których zaburzenia pola magnetycznego i ruchu plazmy rozchodzą się razem. To jeden z podstawowych mechanizmów przenoszenia energii w zjonizowanej materii.

Solar Orbiter dostarczył więc argumentów przemawiających za tym, że rekoneksja i turbulencje działają na różnych etapach życia tej samej struktury. Nie oznacza to jeszcze definitywnego rozwiązania zagadki wszystkich switchbacków. Badacze szczegółowo przeanalizowali jeden wyjątkowo duży przypadek. Dalsze obserwacje muszą pokazać, czy taki sam mechanizm odpowiada również za mniejsze i znacznie częstsze zagięcia.

Nowe badanie pokazuje nam, że skład jonów może pomóc odtworzyć historię materii, która opuściła Słońce wiele godzin wcześniej. To szczególnie cenne, ponieważ sam wiatr słoneczny jest niezwykle zróżnicowany. Jego prędkość, gęstość, temperatura i właściwości magnetyczne zmieniają się zależnie od regionu, z którego pochodzi, oraz procesów zachodzących podczas podróży.

Wcześniej opisywaliśmy inne odkrycie Solar Orbitera dotyczące kaskady drobnych zdarzeń rekoneksji prowadzących do gwałtownego rozbłysku słonecznego. Tam naukowcy mogli przyjrzeć się procesowi uwalniania energii bezpośrednio w koronie. Teraz udało się zbadać ślady podobnych oddziaływań w materii, która zdążyła już znacznie oddalić się od gwiazdy.

Zobacz także:

Takie informacje są ważne również dla modeli pogody kosmicznej. Wiatr słoneczny nieustannie oddziałuje z ziemską magnetosferą, a jego gwałtowne zmiany mogą wpływać na satelity, nawigację i sieci energetyczne.

Aktywność słoneczna potrafi również podgrzewać i rozszerzać górne warstwy ziemskiej atmosfery, zwiększając tym samym opór działający na satelity na niskiej orbicie. Dokładniejsze poznanie procesów napędzających wiatr słoneczny jest więc potrzebne także z perspektywy infrastruktury na Ziemi. To przede wszystkim postęp w rozumieniu fizyki naszej gwiazdy, który dopiero z czasem może przełożyć się na dokładniejsze prognozy.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI