Naukowcy opracowali metodę niemal codziennych pomiarów globalnego koronalnego pola magnetycznego Słońca, kluczową dla zrozumienia burz słonecznych wpływających na Ziemię.
To przełomowe osiągnięcie, wykorzystujące ulepszony wielokanałowy polarymetr koronalny, zwiększa naszą zdolność przewidywania tych burz, zapewniając kompleksowy obraz aktywności magnetycznej zachodzącej w koronie słonecznej.
Przełomowe obserwacje pola magnetycznego Słońca
Po raz pierwszy naukowcy przeprowadzili niemal codzienne pomiary globalnego koronalnego pola magnetycznego Słońca – obszaru wcześniej obserwowanego jedynie sporadycznie. Obserwacje te dostarczają kluczowego wglądu w procesy stojące za intensywnymi burzami słonecznymi, które wpływają na najważniejsze technologie, a w konsekwencji na życie i źródła utrzymania na Ziemi.
Szczegółową analizę danych zebranych w ciągu ośmiu miesięcy za pomocą instrumentu o nazwie Upgraded Coronal Multi-channel Polarimeter (UCoMP) omówiono szczegółowo w numerze czasopisma z 3 października Nauka.
Słoneczne pole magnetyczne jest głównym czynnikiem wywołującym burze słoneczne, które mogą stanowić zagrożenie dla sieci energetycznych, systemów komunikacyjnych i technologii kosmicznych, takich jak GPS. Jednak nasza zdolność zrozumienia, w jaki sposób pole magnetyczne gromadzi energię i wybucha, została ograniczona wyzwaniem, jakim jest obserwacja go w koronie słonecznej, czyli górnej atmosferze Słońca.
Postępy w pomiarach pola magnetycznego Słońca
Pomiar magnetyzmu obszaru za pomocą standardowych metod polarymetrycznych zazwyczaj wymaga dużego i drogiego sprzętu, który jak dotąd był w stanie badać jedynie małe segmenty korony. Jednak połączone wykorzystanie sejsmologii koronalnej i obserwacji UCoMP umożliwia naukowcom uzyskanie spójnych i kompleksowych obrazów pola magnetycznego globalnej korony — widoku całego Słońca, jaki można zobaczyć podczas zaćmienia słońca.
„Globalne mapowanie koronalnego pola magnetycznego to bardzo brakująca część w badaniach Słońca” – powiedział Zihao Yang, główny autor, który prowadził te badania jako absolwent studiów doktoranckich na Uniwersytecie Pekińskim w Chinach, a obecnie jest stażystą podoktorskim w Narodowe Centrum Badań Atmosferycznych (NSF NCAR) amerykańskiej Narodowej Fundacji Naukowej. „Te badania pomagają nam wypełnić kluczową lukę w naszej wiedzy o koronalnych polach magnetycznych, które są źródłem energii burz, które mogą uderzyć w Ziemię.”
Międzynarodowy zespół tworzą naukowcy z Uniwersytetu Northumbria w Wielkiej Brytanii; NCAR NSF; Uniwersytet Pekiński, Chiny; i Uniwersytet Michigan. Badania zostały sfinansowane z grantu Chińskiej Narodowej Fundacji Nauk Przyrodniczych i Chińskiego Narodowego Programu Kluczowych Badań i Rozwoju, a także wsparte stypendium dla absolwentów Newkirk przyznanym Yangowi przez NSF NCAR. Instrument UCoMP został opracowany przy wsparciu amerykańskiej Narodowej Fundacji Nauki (NSF) i jest obsługiwany przez NSF NCAR w Obserwatorium Słonecznym Mauna Loa.
Zwiększone możliwości instrumentu UCoMP
Chociaż naukowcom udało się rutynowo mierzyć pole magnetyczne na powierzchni Słońca, zwanej fotosferą, od dawna trudno było zmierzyć znacznie słabsze koronalne pole magnetyczne. Ograniczyło to głębsze zrozumienie trójwymiarowej struktury i ewolucji pola magnetycznego korony, w której powstają burze słoneczne.
Do dogłębnego pomiaru trójwymiarowych koronalnych pól magnetycznych potrzebne są duże teleskopy, takie jak należący do NSF Teleskop Słoneczny Daniela K. Inouye (DKIST). Dzięki aperturze o średnicy 4 metrów DKIST jest największym na świecie teleskopem słonecznym, który niedawno zademonstrował swoją przełomową zdolność do wykonywania szczegółowych obserwacji koronalnego pola magnetycznego. Jednakże DKIST nie jest w stanie sporządzić mapy całego Słońca na raz. Mniejszy instrument UCoMP w rzeczywistości lepiej nadaje się do dostarczania naukowcom globalnych obrazów koronalnego pola magnetycznego, aczkolwiek w niższej rozdzielczości i w projekcji dwuwymiarowej. Obserwacje z obu źródeł w dużym stopniu uzupełniają całościowy obraz koronalnego pola magnetycznego.
UCoMP to przede wszystkim koronograf, instrument wykorzystujący dysk do blokowania światła słonecznego na wzór zaćmienia, co ułatwia obserwację korony. Łączy w sobie również polarymetr Stokesa, który rejestruje inne informacje widmowe, takie jak intensywność linii koronalnej i prędkość Dopplera. Mimo że UCoMP ma znacznie mniejszą aperturę (20 cm), jest w stanie uzyskać szerszy obraz, który umożliwia badanie całego Słońca przez większość dni.
Naukowcy zastosowali metodę zwaną sejsmologią koronalną do śledzenia fal poprzecznych magnetohydrodynamicznych (MHD) w danych UCoMP. Fale MHD dostarczyły informacji, które umożliwiły stworzenie dwuwymiarowej mapy siły i kierunku koronalnego pola magnetycznego.
W 2020 r. w ramach poprzedniego badania wykorzystano poprzednika UCoMP i metodę sejsmologii koronalnej do stworzenia pierwszej mapy globalnego koronalnego pola magnetycznego. Był to kluczowy krok w kierunku rutynowych pomiarów koronowego pola magnetycznego. UCoMP posiada rozszerzone możliwości, które umożliwiają wykonywanie bardziej szczegółowych, rutynowych pomiarów. Podczas badania UCoMP zespół badawczy stworzył 114 map pola magnetycznego w okresie od lutego do października 2022 r. lub jedną niemal co drugi dzień.
„Wkraczamy w nową erę badań fizyki Słońca, w której możemy rutynowo mierzyć koronalne pole magnetyczne” – powiedział Yang.
Nowe spostrzeżenia i przyszłe kierunki
Obserwacje zaowocowały także pierwszymi pomiarami koronalnego pola magnetycznego w obszarach polarnych. Bieguny Słońca nigdy nie były bezpośrednio obserwowane, ponieważ krzywizna Słońca w pobliżu biegunów sprawia, że znajduje się ono tuż poza naszym polem widzenia z Ziemi. Chociaż badacze nie obserwowali bezpośrednio biegunów, po raz pierwszy byli w stanie dokonać pomiarów emitowanego przez nie pola magnetycznego. Było to częściowo spowodowane lepszą jakością danych dostarczonych przez UCoMP oraz faktem, że Słońce znajdowało się blisko maksimum słonecznego. Typowo słabe emisje z obszaru polarnego były znacznie silniejsze, co ułatwiło uzyskanie wyników koronalnego pola magnetycznego w obszarach polarnych.
Jako stażysta podoktorski w NSF NCAR Yang będzie kontynuował badania nad polem magnetycznym Słońca; ma nadzieję ulepszyć istniejące modele koronalne oparte na pomiarach fotosfery. Ponieważ obecna metoda stosowana w UCoMP ogranicza się do dwóch wymiarów, nadal nie pozwala na uchwycenie pełnego trójwymiarowego pola magnetycznego. Yang i jego współpracownicy mają nadzieję połączyć swoje badania z innymi technikami, aby uzyskać głębsze zrozumienie pełnego wektora pola magnetycznego w koronie.
Trzeci wymiar pola magnetycznego, zorientowany wzdłuż linii wzroku widza, ma szczególne znaczenie dla zrozumienia sposobu, w jaki korona jest zasilana energią prowadzącą do erupcji słonecznej. Ostatecznie potrzebne jest połączenie dużego teleskopu i globalnego pola widzenia, aby zmierzyć wszystkie trójwymiarowe zakręty i sploty stojące za zjawiskami takimi jak erupcje słoneczne; taka jest motywacja stojąca za proponowanym Obserwatorium Magnetyzmu Słonecznego Koronalnego (COSMO), teleskopem refrakcyjnym o średnicy 1,5 metra, który przechodzi ostateczne badania projektowe.
„Ponieważ magnetyzm koronalny to siła, która wysyła masę ze Słońca przelatującą przez Układ Słoneczny, musimy ją obserwować w 3D – i wszędzie naraz, w całej koronie globalnej” – powiedziała Sarah Gibson, kierownik ds. rozwoju COSMO i NSF NCAR naukowiec, współautor artykułu. „Praca Yanga stanowi ogromny krok naprzód w naszej zdolności zrozumienia, jak globalne koronalne pole magnetyczne Słońca zmienia się z dnia na dzień. Ma to kluczowe znaczenie dla naszej zdolności do lepszego przewidywania burz słonecznych i przygotowania się na nie, które stanowią coraz większe zagrożenie dla naszego, coraz bardziej zależnego od technologii życia tutaj na Ziemi.
Odniesienie: „Obserwacja ewolucji globalnego koronalnego pola magnetycznego Słońca w ciągu 8 miesięcy”: Zihao Yang, Hui Tian, Steven Tomczyk, Xianyu Liu, Sarah Gibson, Richard J. Morton i Cooper Downs, 3 października 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.ado2993
