Οι επιστήμονες εντόπισαν για πρώτη φορά τεράστιους στροβίλους (δίνες) στην ατμόσφαιρα του Ήλιου που δεν είχαν παρατηρηθεί ποτέ ξανά στο παρελθόν. Το φαινόμενο αυτό ανοίγει ένα νέο κεφάλαιο στην κατανόηση της ηλιακής δραστηριότητας και του τρόπου με τον οποίο το άστρο μας εκπέμπει ενέργεια στο διάστημα.
Το μεγαλύτερο ηλιακό τηλεσκόπιο του κόσμου και προηγμένες προσομοιώσεις σε υπολογιστές αποκάλυψαν δίνες που ανατρέπουν την κατανόησή μας για τον Ήλιο.
Σε ολόκληρη την ορατή επιφάνεια του Ήλιου, θερμό πλάσμα αναδύεται, ψύχεται και βυθίζεται συνεχώς. Στις ακμές αυτών των περιοχών έντονης ανάδευσης, οι ερευνητές κατάφεραν τώρα να διακρίνουν μικροσκοπικές στροβιλώδεις δομές, οι οποίες μπορεί να βοηθήσουν στην εξήγηση του τρόπου με τον οποίο ο Ήλιος συστρέφει, αποθηκεύει και μεταφέρει μαγνητική ενέργεια.
Οι ηλιακές δίνες πλάσματος αποκαλύφθηκαν μέσα από παρατηρήσεις του Ηλιακού Τηλεσκοπίου Daniel K. Inouye του NSF στη Χαβάη—του μεγαλύτερου ηλιακού τηλεσκοπίου στον κόσμο—σε συνδυασμό με προηγμένες προσομοιώσεις σε υπολογιστές.
Στο έργο αυτό συμμετείχαν ερευνητές από το Εθνικό Ηλιακό Παρατηρητήριο του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών των ΗΠΑ (NSF NSO), το Ινστιτούτο Μαξ Πλανκ για την Έρευνα του Ηλιακού Συστήματος (MPS) στη Γερμανία και το Παρατηρητήριο Υψηλού Υψομέτρου (HAO) στις ΗΠΑ.Η αποτύπωση αυτών των δομών απαιτούσε τη διακριτική ευκρίνεια χαρακτηριστικών με μέγεθος μόλις 20 χιλιομέτρων.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια κάμερα απεικόνισης ευρέος φάσματος που παρείχε το MPS, ενώ ο επιστήμονας του MPS και συνδιοργανωτής της μελέτης, Μίσιελ βαν Νόορτ (Michiel van Noort), συνέβαλε τόσο στις παρατηρήσεις όσο και στην επεξεργασία και την αποκατάσταση των εικόνων.
Μια παράλληλη σύγκριση μιας παρατήρησης από το Ηλιακό Τηλεσκόπιο Inouye (πάνω αριστερά) και μιας εικόνας που δημιουργήθηκε από προηγμένες προσομοιώσεις υπολογιστή βασισμένες στη φυσική (πάνω δεξιά). Η αξιοσημείωτη ταύτιση μεταξύ των δύο επιτρέπει στους επιστήμονες να επιβεβαιώσουν την προέλευση της αστάθειας Κέλβιν-Χέλμχολτζ (Kelvin–Helmholtz), ενός καθολικού φυσικού φαινομένου που συμβαίνει όταν γειτονικά στρώματα ρευστού ή αερίου κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες, δημιουργώντας στροβιλώδη μοτίβα στη διεπαφή τους.
Ένας προσομοιωμένος χάρτης του μαγνητικού πεδίου της ηλιακής επιφάνειας (κάτω δεξιά) επιβεβαιώνει ότι αυτές οι διεργασίες κάμπτουν και παραμορφώνουν φυσικά τα όρια των μαγνητικών στοιχείων. Πηγή: NSF/NSO/AURA/HAO
«Για να εντοπίσουμε τις δίνες, έπρεπε να διακρίνουμε δομές στην ηλιακή επιφάνεια μεγέθους περίπου 20 χιλιομέτρων. Αυτό βρίσκεται στο όριο των δυνατοτήτων ακόμη και του μεγαλύτερου ηλιακού τηλεσκοπίου στον κόσμο και των πιο εξελιγμένων προσομοιώσεων», δήλωσε ο επιστήμονας του MPS και συνεισφέρων στη νέα δημοσίευση Μίσιελ βαν Νόορτ, ο οποίος, μεταξύ άλλων, συνέβαλε στις παρατηρήσεις και πραγματοποίησε τη μείωση δεδομένων και την αποκατάσταση των εικόνων.
Μικροσκοπικές δίνες ξεπηδούν στις ακμές των ηλιακών κοκκίων
Οι νεοανακαλυφθείσες δομές σχηματίζονται κατά μήκος των ορίων των κοκκίων, δηλαδή των χαρακτηριστικών που καλύπτουν πυκνά την επιφάνεια του Ήλιου και έχουν διάμετρο περίπου 500 έως 2.000 χιλιόμετρα.
Συλλογικά, αυτά τα κοκκία δημιουργούν το μοτίβο που είναι γνωστό ως ηλιακή κοκκίδωση.
Η κοκκίδωση παράγεται από τη συνεχή κίνηση του πλάσματος από το θερμό εσωτερικό του Ήλιου. Το υλικό αναδύεται προς την επιφάνεια, χάνει θερμότητα και στη συνέχεια βυθίζεται ξανά.
Κατά μήκος των ακμών αυτών των κοκκίων, οι ερευνητές εντόπισαν ευαίσθητους κροσσούς που συστρέφονται επανειλημμένα, εκτελώντας κινήσεις που μοιάζουν με τα κύματα του ωκεανού όταν σκάνε.
Ορισμένοι κροσσοί έχουν διάμετρο που μόλις ξεπερνά τα 20 χιλιόμετρα. Από τη Γη, η διακριτική ευκρίνεια ενός ηλιακού χαρακτηριστικού σε αυτή την κλίμακα είναι συγκρίσιμη με τον εντοπισμό ενός νομίσματος του ενός ευρώ από απόσταση 180 χιλιομέτρων.
Οι ερευνητές ερμηνεύουν τα στροβιλώδη μοτίβα ως απόδειξη των ασταθειών Κέλβιν-Χέλμχολτζ (Kelvin-Helmholtz), ενός γνώριμου φαινομένου στη δυναμική των ρευστών. Αυτές οι αστάθειες αναπτύσσονται όταν γειτονικά ρευστά κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες, δημιουργώντας διατμητικές δυνάμεις κατά μήκος του κοινού τους συνόρου.
Μικρές διαταραχές μπορούν στη συνέχεια να εξελιχθούν σε κύματα ή δίνες.
Η ίδια διαδικασία εμφανίζεται σε πολλά περιβάλλοντα, όπως στις επιφάνειες λιμνών, στα κύματα του ωκεανού, στον σχηματισμό νεφών, στις ατμόσφαιρες του Δία και του Κρόνου, καθώς και σε περιοχές όπου ο ηλιακός άνεμος αλληλεπιδρά με τις πλανητικές μαγνητόσφαιρες.
Στα όρια των ηλιακών κοκκίων, γειτονικά στρώματα πλάσματος φαίνεται επίσης να κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες, δημιουργώντας τις απαραίτητες συνθήκες για τη γένεση ασταθειών Κέλβιν-Χέλμχολτζ.
Οι δίνες ενδέχεται να συστρέφουν τα μαγνητικά πεδία
Οι μικροσκοπικές δίνες θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην επίλυση ενός μακροχρόνιου ερωτήματος σχετικά με το πώς ο Ήλιος αποθηκεύει ενέργεια στο μαγνητικό του πεδίο και την απελευθερώνει αργότερα, μερικές φορές μέσω μικρών εκρήξεων ακτινοβολίας που ονομάζονται νανοεκλάμψεις (nanoflares).
Η τρέχουσα θεωρία υποστηρίζει ότι η μαγνητική ενέργεια συσσωρεύεται καθώς οι δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου συστρέφονται και τυλίγονται, μοιάζοντας πολύ με τη μηχανική ενέργεια που συσσωρεύεται σε ένα σφιχτά κουρδισμένο μεταλλικό ελατήριο. Καθώς αποθηκεύεται περισσότερη ενέργεια, η μαγνητική δομή γίνεται όλο και πιο ασταθής.
Αυτή η ενέργεια μπορεί τελικά να διαφύγει μέσω της μαγνητικής επανασύνδεσης, μιας διαδικασίας κατά την οποία οι συστραμμένες μαγνητικές γραμμές σπάνε και επανασυνδέονται με μια διαφορετική διάταξη. Αυτό που παρέμενε αβέβαιο είναι το τι προκαλεί επανειλημμένα τη συστροφή αυτών των μαγνητικών γραμμών.
Οι δίνες που παρατηρήθηκαν πρόσφατα ίσως προσφέρουν μέρος της εξήγησης. Επειδή φαίνεται να εμφανίζονται συνεχώς σε τοποθεσίες όπου το μαγνητικό πεδίο είναι αρκετά ισχυρό, το στροβιλιζόμενο πλάσμα θα μπορούσε να καθοδηγεί συστηματικά τη διαδικασία της συστροφής.
Η ανάλυση δείχνει επίσης ότι αυτοί οι μικροί στρόβιλοι αναμειγνύουν αποτελεσματικά το μαγνητισμένο πλάσμα με πλάσμα που δεν είναι μαγνητισμένο στην επιφάνεια του Ήλιου.
Αυτή η ανάμειξη θα μπορούσε να βοηθήσει τα μαγνητικά πεδία να κινηθούν γρήγορα προς τα πάνω, στην ηλιακή ατμόσφαιρα.
Αυτό είναι σημαντικό επειδή η μαγνητική δραστηριότητα του Ήλιου αλλάζει σε έναν ενδεκαετή κύκλο, μια ασυνήθιστα γρήγορη μεταβολή για τα κοσμικά δεδομένα. Για να αλλάξει τόσο γρήγορα η μαγνητική του δομή, η μαγνητική ροή πρέπει να μεταφερθεί αποτελεσματικά μέσω της ατμόσφαιρας.
Τα υπάρχοντα μοντέλα δυσκολεύονταν να δικαιολογήσουν μια τόσο γρήγορη διάχυση.
Οι στρόβιλοι που παρατηρήθηκαν πρόσφατα παρέχουν έναν πιθανό μηχανισμό που θα μπορούσε να βοηθήσει στην εξήγηση του πώς η μαγνητική ροή απομακρύνεται από την επιφάνεια αρκετά γρήγορα ώστε να υποστηρίξει αυτές τις αλλαγές.
«Οι πρόσφατα ανακαλυφθέντες στρόβιλοι πλάσματος αποδεικνύουν με εντυπωσιακό τρόπο πώς μικροσκοπικές διεργασίες —στο όριο αυτού που μπορούμε να διακρίνουμε χρησιμοποιώντας όλες τις διαθέσιμες τεχνικές— καθορίζουν σημαντικά τη φύση του αστεριού μας», δήλωσε ο Sami K. Solanki, διευθυντής του MPS και συν-συγγραφέας της νέας δημοσίευσης.
Το έργο έχει λάβει χρηματοδότηση από το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας στο πλαίσιο του προγράμματος έρευνας και καινοτομίας «Ορίζοντας 2020» της Ευρωπαϊκής Ένωσης (Συμφωνία Επιχορήγησης αρ. 101097844 για το Έργο WINSUN).
Το υλικό αυτό βασίζεται σε εργασία που υποστηρίζεται από το Εθνικό Κέντρο Ατμοσφαιρικών Ερευνών (NCAR) του NSF, το οποίο αποτελεί βασική εγκατάσταση χρηματοδοτούμενη από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ (Συμφωνία Συνεργασίας αρ. 1852977).
