https://www.eurekalert.org/news-releases/1061049
Naukowcy z Laboratorium Fizyki Plazmy w Princeton dokonali znaczącego odkrycia dotyczącego ekstremalnego ciepła korony słonecznej, wskazując odbicia osocze fale jako prawdopodobną przyczynę.
Ten przełom, obejmujący zarówno metody eksperymentalne, jak i symulacyjne, zapewnia kluczowy wgląd w długoletnią tajemnicę, dlaczego korona słoneczna jest znacznie gorętsza niż powierzchnia Słońca.
Tajemniczy upał słońca: łamigłówka sprzed kilkudziesięciu lat
Nasze słońce kryje w sobie głęboką tajemnicę. Chociaż temperatura powierzchni Słońca wynosi około 10 000 stopni Fahrenheitajej zewnętrzna atmosfera, korona słoneczna, osiąga temperaturę około 2 milionów stopni Fahrenheita, czyli około 200 razy wyższą. Ten dramatyczny wzrost temperatury poza powierzchnią Słońca zaskakuje naukowców od 1939 roku, kiedy po raz pierwszy udokumentowano wysoką temperaturę korony. Przez dziesięciolecia badacze próbowali odkryć mechanizm stojący za tym nieoczekiwanym nagrzewaniem, jednak tajemnica pozostała nierozwiązana.
Przełom w badaniach nad energią słoneczną
Niedawno jednak przełomu dokonał zespół kierowany przez Sayaka Bose’a, badacza z amerykańskiego Departamentu ds. EnergiaLaboratorium Fizyki Plazmy w Princeton (DOE) (PPPL). Ich ustalenia wskazują, że zostało to odzwierciedlone osocze fale są prawdopodobnie odpowiedzialne za ogrzewanie dziur koronalnych – obszarów w koronie słonecznej o małej gęstości z otwartymi liniami pola magnetycznego rozciągającymi się w przestrzeń międzyplanetarną. Odkrycie to oznacza znaczący postęp w rozwiązywaniu jednej z najtrwalszych tajemnic dotyczących naszej najbliższej gwiazdy.
„Naukowcy wiedzieli, że dziury koronalne charakteryzują się wysoką temperaturą, ale podstawowy mechanizm odpowiedzialny za nagrzewanie nie jest dobrze poznany” – powiedział Bose, główny autor badania papier raportowanie wyników w The Dziennik astrofizyczny. „Nasze odkrycia pokazują, że odbicie fali plazmowej może spełnić swoje zadanie. To pierwszy eksperyment laboratoryjny pokazujący, że fale Alfvéna odbijają się w warunkach właściwych dziurom koronalnym”.
Odkrywanie tajemnicy fal Alfvéna
Fale noszące jego imię, przewidziane po raz pierwszy przez szwedzkiego fizyka i laureata Nagrody Nobla, Hannesa Alfvéna, przypominają wibracje szarpanych strun gitary, z tą różnicą, że w tym przypadku fale plazmowe powstają w wyniku wibrujących pól magnetycznych.
Bose i inni członkowie zespołu wykorzystali 20-metrową kolumnę plazmową Wielkiego Urządzenia Plazmowego (LAPD) na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles (Uniwersytet Kalifornijski) w celu wzbudzenia fal Alfvéna w warunkach naśladujących te występujące wokół dziur koronalnych. Eksperyment wykazał, że gdy fale Alfvéna napotykają obszary o różnej gęstości plazmy i natężeniu pola magnetycznego, tak jak ma to miejsce w atmosferze słonecznej wokół dziur koronalnych, mogą zostać odbite i cofnąć się w stronę źródła. Zderzenie fal wychodzących i odbitych powoduje turbulencje, które z kolei powodują ogrzewanie.
Postępy eksperymentalne i spostrzeżenia dotyczące symulacji
„Fizycy od dawna stawiali hipotezę, że odbicie fal Alfvéna może pomóc w wyjaśnieniu nagrzewania się dziur koronalnych, ale nie było możliwości sprawdzenia tego w laboratorium ani bezpośredniego pomiaru” – powiedział Jason DziesięćBarkawizytujący pracownik naukowy w PPPL, który również wniósł wkład w badania. „Ta praca stanowi pierwszą eksperymentalną weryfikację, że odbicie fali Alfvéna jest nie tylko możliwe, ale także że ilość odbitej energii jest wystarczająca do ogrzania dziur koronalnych”.
Oprócz przeprowadzania eksperymentów laboratoryjnych zespół przeprowadził symulacje komputerowe eksperymentów, które potwierdziły odbicie fal Alfvéna w warunkach podobnych do dziur koronalnych. „Rytynowo przeprowadzamy wielokrotne weryfikacje, aby mieć pewność, że dokładność naszych zaobserwowanych wyników” – powiedział Bose – „a jednym z tych kroków było przeprowadzenie symulacji. Fizyka odbicia fali Alfvéna jest bardzo fascynująca i skomplikowana! To niesamowite, jak dogłębnie podstawowe eksperymenty laboratoryjne i symulacje fizyczne mogą znacząco poprawić naszą wiedzę o układach naturalnych, takich jak nasze Słońce.
Odniesienie: „Eksperymentalne badanie odbicia fali Alfvéna od gradientu prędkości Alfvéna istotnego dla słonecznych dziur koronalnych” autorstwa Sayaka Bose, Jasona M. TenBarge, Troya Cartera, Michaela Hahna, Hantao Ji, Jamesa Juno, Daniela Wolfa Savina, Shreekrishna Tripathi i Stephen Vincena, 7 sierpnia 2024 r., Dziennik astrofizyczny.
DOI: 10.3847/1538-4357/ad528f
Współpracownikami byli naukowcy z m.in Uniwersytet PrincetonUniwersytet Kalifornijski w Los Angeles i Uniwersytet Kolumbii. Badania zostały sfinansowane przez DOE w ramach kontraktów DE-AC0209CH11466 i DE-SC0021261, a także przez National Science Foundation (NSF) w ramach grantu nr 2209471. Eksperyment przeprowadzono w Basic Plasma Science Facility, który jest częścią wspólnego obiektu użytkownika w ramach programu Fusion Energy Sciences Biura Naukowego DOE i jest finansowany w ramach kontraktu DOE DE-FC02-07ER54918 i NSF w ramach kontraktu NSF-PHY 1036140.
