Dane z należącego do ESA statku Solar Orbiter i NASA’S Sonda słoneczna Parkera ujawniły, że duże wahania pola magnetycznego Słońca, w szczególności fal Alfvéna, są kluczem do zasilania i przyspieszania wiatru słonecznego.
Odkrycie to rzuca światło na dynamikę zjawisk słonecznych i sugeruje potencjalne podobieństwa w wiatrach innych gwiazd.
Odkrywanie tajemnic wiatru słonecznego
The Europejska Agencja KosmicznaSonda kosmiczna Solar Orbiter (ESA) dostarczyła kluczowych danych pozwalających odpowiedzieć na trwające od dziesięcioleci pytanie, skąd pochodzi energia potrzebna do ogrzewania i przyspieszania wiatru słonecznego. Współpracując z należącą do NASA sondą Parker Solar Probe, sonda Solar Orbiter odkrywa, że energia potrzebna do zasilenia tego wypływu pochodzi z dużych wahań pola magnetycznego Słońca.
Wiatr słoneczny to ciągły strumień naładowanych cząstek, który ucieka z atmosfery słonecznej (zwanej koroną) i przepływa obok Ziemi. To zderzenie wiatru słonecznego z atmosferą naszej planety powoduje pojawienie się kolorowej zorzy na naszym niebie.
Rola fal Alfvéna
„Szybki” wiatr słoneczny porusza się z prędkością przekraczającą 500 km/s, co odpowiada imponującej prędkości 1,8 miliona km/h. Co ciekawe, wiatr ten opuszcza koronę słoneczną z mniejszą prędkością, więc coś go przyspiesza w miarę oddalania się. Wiatr o masie miliona stopni w naturalny sposób ochładza się, gdy zwiększa swoją objętość i staje się mniej gęsty, podobnie jak powietrze na Ziemi podczas wspinaczki w górach. A jednak ochładza się wolniej, niż można by się spodziewać na podstawie samego tego efektu.
Co zatem zapewnia energię niezbędną do przyspieszenia i ogrzania najszybszych części wiatru słonecznego? Dane z należącej do ESA sondy Solar Orbiter i należącej do NASA sondy Parker Solar Probe dostarczyły niezbitych dowodów na to, że odpowiedzią są wielkoskalowe oscylacje w polu magnetycznym Słońca, znane jako fale Alfvéna.
„Przed rozpoczęciem tej pracy sugerowano, że fale Alfvéna są potencjalnym źródłem energii, ale nie mieliśmy ostatecznego dowodu” – mówi współpierwszy autor pracy Yeimy Rivera z Centrum Astrofizyki w Harvard & Smithsonian w Massachusetts.
Odkrywanie dynamiki energii
W zwykłym gazie, takim jak atmosfera ziemska, jedynym rodzajem fal, które mogą być transmitowane, są fale dźwiękowe. Jednakże, gdy gaz zostanie podgrzany do nadzwyczajnych temperatur, na przykład w atmosferze Słońca, wchodzi w stan naelektryzowania, zwany osocze i reaguje na pola magnetyczne. Dzięki temu w polu magnetycznym tworzą się fale zwane falami Alfvéna. Fale te magazynują energię i mogą skutecznie przenosić ją przez plazmę.
Zwykły gaz wyraża zgromadzoną energię w postaci gęstości, temperatury i prędkości. Jednak w przypadku plazmy pole magnetyczne magazynuje również energię. Zarówno Solar Orbiter, jak i Parker Solar Probe zawierają niezbędne instrumenty do pomiaru właściwości plazmy, w tym jej pola magnetycznego.
Współpraca naukowa i ustalenia
Chociaż obie sondy kosmiczne działają w różnych odległościach od Słońca i na bardzo różnych orbitach, w lutym 2022 roku sonda znalazła się wzdłuż tego samego strumienia wiatru słonecznego.
Parker, działający w odległości 13,3 promienia Słońca (około 9 milionów km) od Słońca, na samych zewnętrznych krawędziach korony słonecznej, jako pierwszy przekroczył strumień. Solar Orbiter, działający w promieniu 128 promieni Słońca (89 milionów km), przekroczył strumień dzień lub dwa później. „Praca ta była możliwa wyłącznie dzięki specjalnemu ustawieniu dwóch statków kosmicznych, które pobierały próbki tego samego strumienia wiatru słonecznego na różnych etapach swojej podróży od Słońca” – mówi Yeimy.
Wykorzystując w pełni to rzadkie ustawienie, zespół porównał pomiary tego samego strumienia plazmy w dwóch różnych lokalizacjach. Najpierw przekształcili pomiary w cztery kluczowe wielkości energii, które obejmowały pomiar energii zmagazynowanej w polu magnetycznym, zwany strumieniem energii falowej.
Ponieważ energii nie można ani wytworzyć, ani zniszczyć, a jedynie przekształcić z jednej formy w drugą, zespół porównał odczyty Parkera z odczytami z Solar Orbiter. Dokonali tego porównania zarówno z terminem energii magnetycznej, jak i bez niego.
Zrozumienie przyspieszenia wiatru słonecznego
„Odkryliśmy, że jeśli nie uwzględnimy strumienia energii fal w Parkerze, nie do końca dopasujemy ilość energii, którą mamy w Solar Orbiter” – mówi współpierwszy autor Samuel Badman z Center for Astrophysics w Harvard & Smithsonian w Massachusetts.
W pobliżu Słońca, gdzie Parker zmierzył strumień, około 10% całkowitej energii znaleziono w polu magnetycznym. W Solar Orbiter liczba ta spadła do zaledwie 1%, ale plazma przyspieszyła i ostygła wolniej, niż oczekiwano.
Porównując liczby, zespół doszedł do wniosku, że utracona energia magnetyczna przyspiesza i spowalnia chłodzenie plazmy, zapewniając własne ogrzewanie.
Dane pokazują również, jak ważne dla przyspieszenia wiatru są konfiguracje magnetyczne zwane serpentynami. Skręty to duże odchylenia linii pola magnetycznego Słońca i są przykładami fal Alfvéna. Widziano je od pierwszych sond słonecznych w latach 70. XX wieku, ale ich wykrywalność dramatycznie wzrosła, odkąd Parker Solar Probe jako pierwszy statek kosmiczny przeleciał przez koronę Słońca w 2021 r. i wykrył, że serpentyny łączą się w plamy.
Szersze implikacje i przyszłe badania
Ta nowa praca potwierdza, że te obszary serpentyn zawierają wystarczającą ilość energii, aby odpowiadać za brakującą część przyspieszenia i nagrzania szybkiego wiatru słonecznego.
„Ta nowa praca umiejętnie łączy w całość kilka dużych elementów słonecznej układanki. Coraz częściej połączenie danych zebranych przez Solar Orbiter, Parker Solar Probe i inne misje pokazuje nam, że różne zjawiska słoneczne faktycznie współdziałają, tworząc to niezwykłe środowisko magnetyczne” – mówi Daniel Müller, naukowiec projektu ESA w Solar Orbiter.
I nie chodzi tu tylko o informację o naszym Układzie Słonecznym. „Nasze Słońce jest jedyną gwiazdą we Wszechświecie, w przypadku której możemy bezpośrednio zmierzyć jej wiatr. Zatem to, czego dowiedzieliśmy się o naszym Słońcu, potencjalnie odnosi się przynajmniej do innych gwiazd typu Słońca i być może innych typów gwiazd, które mają wiatry” – mówi Samuel.
Zespół pracuje obecnie nad rozszerzeniem swojej analizy, aby zastosować ją do wolniejszych form wiatru słonecznego, aby sprawdzić, czy energia pola magnetycznego Słońca odgrywa również rolę w jego przyspieszaniu i nagrzewaniu.
Odniesienie: „Obserwacje in situ fal Alfvéna o dużej amplitudzie podgrzewających i przyspieszających wiatr słoneczny” Yeimy J. Rivera, Samuel T. Badman, Michael L. Stevens, Jaye L. Verniero, Julia E. Stawarz, Chen Shi, Jim M. Raines, Kristoff W. Paulson, Christopher J. Owen, Tatiana Niembro, Philippe Louarn, Stefano A. Livi, Susan T. Lepri, Justin C. Kasper, Timothy S. Horbury, Jasper S. Halekas, Ryan M. Dewey, Rossana De Marco i Stuart D. Bale, 29 sierpnia 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adk6953
Solar Orbiter, misja kierowana przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA) we współpracy z NASA, to sonda głębinowa zaprojektowana do badania Słońca z bliska. Wystrzelona w lutym 2020 r., a jej główne cele obejmują badanie atmosfery słonecznej, wykonywanie zdjęć biegunów Słońca w wysokiej rozdzielczości oraz badanie wiatru słonecznego i pól magnetycznych Słońca. Krążąc bliżej Słońca niż Merkury, Solar Orbiter wytrzymuje ekstremalne promieniowanie słoneczne, aby zebrać krytyczne dane, pomagając naukowcom zrozumieć mechanizmy stojące za aktywnością słoneczną i jej wpływem na szerszy Układ Słoneczny.
