Dlaczego atmosfera Słońca jest gorętsza od jego powierzchni? Eksperyment ujawnił, jak niestabilności plazmy uwalniają energię magnetyczną.
Powierzchnia Słońca ma temperaturę około 5500 st. C, ale jego zewnętrzna atmosfera rozgrzewa się do ponad miliona stopni. Fizycy od dziesięcioleci próbują wyjaśnić, skąd bierze się aż tak ogromna różnica. Teraz naukowcy z Chin odtworzyli w laboratorium proces, który może odpowiadać za część tego niezwykłego ogrzewania.
Wykorzystali przy tym potężne lasery, dzięki czemu mogli wytworzyć plazmę podobną pod pewnymi względami do tej występującej w słonecznej koronie. Następnie doprowadzili do powstania drobnych zaburzeń, które wyzwoliły energię pola magnetycznego. Temperatura elektronów wzrosła do około 820 tys. K, czyli niemal dwukrotnie więcej niż w eksperymencie kontrolnym.
Korona Słońca jest setki razy gorętsza. Naukowcy od lat szukają przyczyny
Na pierwszy rzut oka wydaje się to sprzeczne z naszą intuicją. Energia Słońca powstaje w jego jądrze, a następnie przemieszcza się ku zewnętrznym warstwom. Można byłoby więc oczekiwać, iż im dalej od centrum gwiazdy, tym temperatura będzie niższa.
Tymczasem fotosfera, czyli widoczna powierzchnia Słońca, ma około 5800 K, natomiast korona osiąga temperaturę rzędu 1-2 mln K, a miejscami jeszcze wyższą. Oznacza to, iż niezwykle rozrzedzona atmosfera jest setki razy gorętsza niż warstwa znajdująca się pod nią. Jedno z głównych wyjaśnień tego zjawiska dotyczy pola magnetycznego. Ruchy plazmy w niższych warstwach Słońca nieustannie odkształcają linie pola, gromadząc w nim energię. Kiedy przeciwstawnie skierowane pola zbliżą się do siebie, może nastąpić rekoneksja magnetyczna, podczas której część tej energii zostaje zamieniona w ciepło i ruch cząstek.
Już wcześniej opisywaliśmy obserwacje sondy Parker Solar Probe, które pokazały, jak rekoneksja magnetyczna przyspiesza cząstki w pobliżu Słońca. przez cały czas jednak nie wiadomo dokładnie, jaka część energii ogrzewającej koronę pochodzi z tego mechanizmu.
Wystrzelili lasery w plastik. Tak powstała miniaturowa korona Słońca
Zespół kierowany przez Wei Suna z China Institute of Atomic Energy postanowił sprawdzić, w jaki sposób dochodzi do uwolnienia energii magnetycznej. Wyniki przedstawił w badaniu opublikowanym w Physical Review Letters.
Eksperyment przeprowadzono w chińskim ośrodku laserowym Shenguang-II. Badacze skierowali silne impulsy laserowe na niewielkie plastikowe próbki o specjalnie ukształtowanej, pofałdowanej powierzchni. Materiał gwałtownie zamienił się w plazmę, która zaczęła się rozszerzać.
Na granicy obszarów o różnej gęstości pojawiły się charakterystyczne struktury przypominające palce lub grzyby. To przejaw niestabilności Rayleigha-Taylora, występującej wtedy, gdy różnica gęstości i przyspieszenie prowadzą do narastania zaburzeń między warstwami materii. Podobne warunki mogą pojawiać się w koronie Słońca podczas tzw. deszczu koronalnego. Jest to zjawisko, w którym schłodzona i zagęszczona plazma opada wzdłuż linii pola magnetycznego, przemieszczając się przez otaczający ją gorętszy, rzadszy gaz.
Ogromną energię uwolniły z pozoru niewielkie zaburzenia
Podczas eksperymentu rozwijające się struktury plazmy doprowadziły do zbliżenia obszarów o przeciwnie skierowanych polach magnetycznych. Doszło do rekoneksji, która uwolniła energię i podgrzała elektrony. Ich maksymalna temperatura osiągnęła około 70,8 eV, co w przeliczeniu odpowiada mniej więcej 820 tys. K. Była około dwukrotnie wyższa niż w doświadczeniu z płaskimi próbkami, w których nie wytworzono takich samych zaburzeń.
Aby ustalić źródło dodatkowego ogrzewania badacze wykorzystali obserwacje optyczne, pomiary promieniowania rentgenowskiego i symulacje komputerowe. Wyniki wskazały, iż dominującym mechanizmem była zamiana energii magnetycznej w ciepło, a nie ogrzewanie wywołane samym tarciem w plazmie.
Ich odkrycie ma znaczenie szczególnie dla hipotezy nanorozbłysków, czyli bardzo małych, gwałtownych uwolnień energii magnetycznej. Pojedyncze zdarzenie jest znacznie słabsze od dużego rozbłysku słonecznego, ale ogromna liczba takich procesów mogłaby stale dostarczać energię do korony.
To kolejny element zagadki. W sierpniu odkryto inny mechanizm
Warto jednak w tym miejscu odróżnić nowe badanie od wcześniejszego odkrycia, które opisywaliśmy na Spider’s Web w sierpniu, gdy teleskop słoneczny Inouye zarejestrował niestabilność Kelvina-Helmholtza na powierzchni Słońca.
Tam chodziło przede wszystkim o fale i wiry powstające między strumieniami materii poruszającymi się z różną prędkością. Nowy eksperyment dotyczy niestabilności Rayleigha-Taylora oraz jej umiejętności uruchamiania rekoneksji magnetycznej. Oba procesy mogą mieć znaczenie dla transportu i uwalniania energii, ale nie są tym samym zjawiskiem.
Chińscy naukowcy nie odtworzyli również całej korony Słońca. Ich plazma miała rozmiary kilku milimetrów, a procesy zachodziły znacznie szybciej niż w rzeczywistej atmosferze gwiazdy. Podobieństwo dotyczyło wybranych parametrów fizycznych, pozwalających porównywać zachowanie plazmy w obu środowiskach.
Zagadka korony nie została jeszcze całkowicie rozwiązana
Eksperyment pokazuje, iż niestabilności plazmy mogą samodzielnie doprowadzić do powstania warunków sprzyjających rekoneksji magnetycznej. Nie trzeba więc zakładać, iż wszystkie takie zdarzenia wynikają wyłącznie z powolnego gromadzenia energii przez ruchy plazmy na powierzchni Słońca.
Nie wiadomo jednak, jak często ten mechanizm działa w prawdziwej koronie i czy nanorozbłyski przez niego wywoływane dostarczają wystarczająco dużo energii, aby wyjaśnić jej temperaturę. Autorzy planują dalsze eksperymenty i bardziej szczegółowe badania trójwymiarowych struktur plazmy. Dodatkowych danych mogą dostarczyć obserwacje kosmiczne. Opisywaliśmy już misję Proba-3, której satelity tworzą sztuczne zaćmienia Słońca i pozwalają obserwować zjawiska zachodzące w jego koronie.
Nowe badanie nie kończy więc kilkudziesięcioletniego sporu o źródło niezwykłych temperatur słonecznej atmosfery. Dostarcza nam natomiast laboratoryjnego potwierdzenia jednego z procesów, które mogą odpowiadać za jej ogrzewanie. Teraz astronomowie muszą sprawdzić, jak duże znaczenie ma on w rzeczywistym Słońcu.
*Źródło grafiki wprowadzającej: AI / Canva Pro
