Wykorzystując fale dźwiękowe, naukowcy dokonują odkryć, które podważają standardowe teorie dotyczące konwekcji słonecznej.
Zespół naukowców zajmujących się badaniem Słońca dokonał znaczących odkryć dotyczących supergranuli słonecznych korzystając z danych z Obserwatorium Dynamiki Słonecznej (Solar Dynamics Observatory, SDO). Naukowcy przeprowadzili badanie wewnętrznej struktury supergranuli, odkrywając strukturę przepływową, która transportuje ciepło z ukrytego wnętrza Słońca na jego powierzchnię.
Ich badania pokazują słabszy przepływ w dół w porównaniu z przepływem w górę zachodzący w supergranulach, wskazując potencjalne istnienie niewidocznych elementów procesu mieszania materii na Słońcu, takich jak małoskalowe pióropusze. Podważa to konwencjonalne rozumienie konwekcji słonecznej.
Artystyczna impresja supergranuli Słońca. Supergranule przenoszą ciepło w pobliże powierzchni Słońca i są około 3 razy szersze niż Ziemia. Gorący materiał ze Słońca unosi się na powierzchnię, ochładza się i obraca, po czym opada z powrotem do wnętrza. Naukowcy wykorzystują fale dźwiękowe, aby zobaczyć, co znajduje się pod powierzchnią, która wygląda jak zmarszczki na piasku. Źródło: Melissa Weiss
Przełom w zrozumieniu konwekcji słonecznej
Słońce wytwarza energię w swoim jądrze w wyniku syntezy jądrowej; energia ta jest następnie transportowana na powierzchnię, skąd ucieka w postaci światła słonecznego. W nowym badaniu naukowcy wyjaśniają, w jaki sposób wykorzystali obrazy Dopplera, intensywność i obrazy magnetyczne z kamery heliosejsmicznej i magnetycznej (HMI) na pokładzie należącego do NASA satelity Solar Dynamics Observatory w celu zidentyfikowania i scharakteryzowania około 23 tysięcy supergranuli.
Ponieważ powierzchnia Słońca jest nieprzezroczysta dla światła, naukowcy z wykorzystali fale dźwiękowe do zbadania wewnętrznej struktury supergranuli. Te fale, generowane przez mniejsze granule, które występują wszędzie na Słońcu, były w przeszłości z powodzeniem wykorzystywane w dziedzinie zwanej heliosejsmologią.
Artystyczna wizja Obserwatorium Dynamiki Słońca (SDO). Źródło: Laboratorium obrazów koncepcyjnych NASA/Goddard Space Flight Center
Metodologia i odkrycia
Analizując ten duży zbiór danych na temat supergranuli, które, jak oszacowano, rozciągają się na głębokość 20 000 km (~3% do wnętrza) pod powierzchnią Słońca, naukowcy byli w stanie z niespotykaną dotąd dokładnością określić przepływy w górę i w dół związane z transportem ciepła w supergranulach. Oprócz wywnioskowania, jak głęboko sięgają supergranule, naukowcy odkryli również, że przepływy w dół wydają się o około 40 procent słabsze niż przepływy w górę, co sugeruje, że w przepływach w dół brakowało jakiegoś składnika.
Implikacje dla fizyki Słońca
Na podstawie szeroko zakrojonych testów i argumentów teoretycznych autorzy wysuwają teorię, że „brakujący” lub niewidoczny składnik może składać się z pióropuszów o małej skali (ok. 100 km), które transportują chłodniejszą plazmę w dół do wnętrza Słońca. Same fale dźwiękowe na Słońcu są zbyt duże, aby odczuć istnienie tych pióropuszy, przez co opadające strumienie wydawają się słabsze. Ustaleń tych nie można wytłumaczyć za pomocą szeroko stosowanego opisu konwekcji słonecznej wykorzystującego teorię drogi mieszania.
Supergranule są istotnym składnikiem mechanizmów transportu ciepła w Słońcu, ale zrozumienie ich stanowi poważne wyzwanie dla naukowców – powiedział dr Shravan Hanasoge, współautor artykułu i współkierownik projektu firmy CASS. – Nasze odkrycia zaprzeczają założeniom, które mają kluczowe znaczenie dla obecnego zrozumienia konwekcji słonecznej i powinny zainspirować do dalszych badań supergranuli słonecznych.
Naukowcy wykorzystali przetwarzanie obrazu na zdjęciach Słońca o wysokiej rozdzielczości, aby odkryć wyraźne „pióropusze” w strukturach na Słońcu, zwane pióropuszami słonecznymi. Pełny dysk Słońca i lewa strona wstawki zostały uchwycone przez Obserwatorium Dynamiki Słonecznej NASA przy długości fali ekstremalnego światła ultrafioletowego i przetworzone w celu redukcji szumów. Prawa strona wstawki została poddana dalszej obróbce w celu uwydatnienia drobnych elementów na obrazach i ukazania krawędzi pióropuszów z wyraźnymi szczegółami. Te pióropusze mogą pomóc naukowcom zrozumieć, w jaki sposób i dlaczego powstają zakłócenia w wietrze słonecznym. Źródło: NASA/SDO/Uritsky, et al. (The Astrophysical Journal, 2021).
Więcej informacji: publikacja Chris S. Hanson i in., Supergranular-scale solar convection not explained by mixing-length theory, 25 June 2024, Nature Astronomy.
DOI: 10.1038/s41550-024-02304-w
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Obserwatorium Solar Dynamics Observatory NASA wykonało zdjęcie tego silnego rozbłysku słonecznego 8 maja 2024 r. Zdjęcie przedstawia mieszankę światła o energii 171 i 131 Angstremów, czyli podzbiór ekstremalnego światła ultrafioletowego.
