Przejdź do treści

Pętle koronalne na Słońcu mogą nie być tym, czym się wydają

Pętle koronalne obserwowane przez misję kosmiczną TRACE.

Nowe badanie kwestionuje założenia dotyczące tego, co wiemy i czego nie wiemy o Słońcu. Okazuje się, że wiele pętli koronalnych, czyli podobnych do sznurów pasm plazmy, o których naukowcy od dawna myśleli, że istnieją w atmosferze Słońca, może być w rzeczywistości złudzeniami optycznymi.

Badania, które pokazały, że w dotychczasowych badaniach Słońca mogliśmy dać się zwieść iluzji, były finansowane przez NASA i obejmowały współpracowników z obserwatorium NCAR High Altitude Observatory, Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory, Southwest Research Institute i NASA Goddard. Opierały się one na najnowocześniejszej, realistycznej, trójwymiarowej symulacji korony słonecznej. Symulacja wykonana w NCAR pozwoliła naukowcom na „pocięcie” korony słonecznej na odrębne sekcje w celu wyizolowania poszczególnych pętli koronalnych dla ich dokładnego zbadania. Jak się okazało, wiele spośród na pierwszy rzut oka wyraźnie widocznych pętli w ogóle nie było pętlami!

Chociaż badacze wskazali, że niektóre pętle koronalne naprawdę istnieją, odkryli również, że w wielu przypadkach to, co na zdjęciach Słońca wydaje się być pętlami, może w rzeczywistości być zmarszczkami jasno świecącej plazmy w atmosferze słonecznej. Gdy warstwy tej plazmy zaginają się, powstają fałdy, które wyglądają jak jasne cienkie linie. Naśladują wygląd wyraźnych i samodzielnych pasm. To odkrycie, które badacze nazywają hipotezą „zasłony koronalnej” (ang. coronal veil), ma znaczące implikacje dla naszego zrozumienia Słońca. Uznawane za faktycznie istniejące pętle koronalne były od dziesięcioleci wykorzystywane do uzyskiwania informacji o gęstości, temperaturze i innych parametrach fizycznych atmosfery słonecznej. Czy będziemy musieli zweryfikować zgromadzoną dotychczas wiedzę o naszej gwieździe?

To, co wydaje się być pętlami koronalnymi, można zobaczyć na zdjęciach Słońca wykonanych w dalekim ultrafiolecie. Założenie, że pętle istnieją, jest dla naukowców naturalne, ponieważ pasuje do naszego najbardziej podstawowego zrozumienia magnetyzmu. Większość uczniów w pewnym momencie swojej edukacji widziała, co się dzieje, gdy opiłki żelaza są rozsypane w pobliżu magnesu sztabkowego. Opiłki orientują się wzdłuż linii pola magnetycznego, które biegną od jednego bieguna magnesu sztabkowego do drugiego. Te zakrzywione linie rozchodzą się, stają się tym słabsze i mniej gęste, im dalej znajdują się od magnesu. Pozorne pętle koronalne na obrazach Słońca wyglądają uderzająco podobnie, a ponieważ na Słońcu występuje silne pole magnetyczne, istnienie linii pola magnetycznego, które mogą uwięzić między sobą sznur plazmy i utworzyć pętle, wydaje się być oczywiste.

Opiłki żelaza ujawniające istnienie pola magnetycznego magnesu sztabkowego.

Na ilustracji: Pole magnetyczne magnesu sztabkowego, którego istnienie ujawniane jest przez opiłki żelaza rozsypane na papierze. Aby uzyskać powyższy obraz, na magnes sztabkowy trzeba położyć kartkę papieru i posypać ją opiłkami żelaza. Opiłki ustawią się tak, by ich długa oś była równoległa do linii sił pola magnetycznego. Wyraźnie widać, że opiłki zlepiają się tworząc sznury, które pokazują kierunek linii pola magnetycznego w każdym punkcie. Źródło: Wikimedia Commons.

W oparciu o naszą wiedzę trzeba jednak pamiętać, że pętle, które widzimy na zdjęciach Słońca, nigdy nie zachowywały się dokładnie tak jak powinny. Naukowcy spodziewaliby się, że w miarę oddalania się od powierzchni Słońca, linie pola magnetycznego na Słońcu będą się rozchodzić tak jak w eksperymencie z opiłkami żelaza. Gdyby tak się działo, plazma uwięziona między liniami pola również rozprzestrzeniłaby się między granicami tych linii i  stworzyła grubsze, mniej jasne struktury. Niestety, obrazy Słońca nie potwierdzają tych oczekiwań. Zamiast tego pętle obserwowane na dużych odległościach od powierzchni Słońca nadal wydają się cienkie i jasne.

Opisywane tu badanie potwierdza, że pętle koronalne prawdopodobnie istnieją. Niemniej, możliwość że część z obserwowanych struktur nie jest pętlami, ale zmarszczkami warstw plazmy, pomaga wyjaśnić wyżej wspomnianą i inne dotąd niewyjaśnione własności pętli koronalnych. Prowokuje też nowe pytania, np.:  od czego zależy kształt i grubość tych fałd lub ile z pozornych pętli na obrazach Słońca to w rzeczywistości prawdziwe pasma, a ile to złudzenia optyczne.

Odkrycie, że pętle koronalne mogą być iluzjami, było możliwe dzięki MURaM promienistemu modelowi – magnetohydrodynamicznemu, który został rozszerzony o modelowanie korony słonecznej. Kilka lat temu grupa badaczy kierowana przez Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory wykorzystała MURaM do stworzenia niezwykle szczegółowej symulacji korony słonecznej. Symulacja ta była przełomowa, ponieważ była w stanie jednocześnie modelować to, co dzieje się w wielu obszarach Słońca, od górnej części strefy konwekcyjnej położonej około 10 000 kilometrów pod powierzchnią Słońca, przez powierzchnię Słońca i dalej do prawie 40 000 kilometrów w głąb korony słonecznej. Te zróżnicowane regiony Słońca obejmują szeroki zakres warunków fizycznych, w tym różnice w gęstości i ciśnieniu, dlatego naukowcy nie wymyślili wcześniej sposobu na matematyczne przedstawienie tych regionów w jednej symulacji komputerowej.

Rozbłysk słoneczny uchwycony przez misję kosmiczną NASA SDO.

Na ilustracji: 20 stycznia 2022 r. misja kosmiczna NASA Solar Dynamics Observatory uchwyciła rozbłysk słoneczny. Można go zobaczyć w postaci jasnego błysku po prawej stronie zdjęcia Słońca, które zostało wykonane w dalekim ultrafiolecie. Źródło: NASA/SDO

Nowa symulacja była między innymi w stanie po raz pierwszy uchwycić cały cykl życia rozbłysku słonecznego, od gromadzenia się energii pod powierzchnią Słońca do pojawienia się rozbłysku na powierzchni i ostatecznie do wybuchowego uwolnienia energii.

Model ten wygenerował również olbrzymie trójwymiarowe zestawy danych, które zawierają strukturę pola magnetycznego i plazmy, które można wykorzystać do generowania obserwacji „syntetycznych”. Ponieważ korona słoneczna jest optycznie cienka, co oznacza, że stosunkowo łatwo ją przejrzeć na wskroś, struktury korony nakładają się na siebie na obrazach Słońca. Utrudnia to stwierdzenie, czy „pętla”, która zachodzi na inne pętle, znajduje się z przodu czy z tyłu. Trudno też powiedzieć, czy sama pętla ma zwarty przekrój jak wąż ogrodowy, czy też przypomina długą wstążkę oglądaną od strony krawędzi. Możliwe jest również, że to, co wydaje się cienkim pasmem, może być złudzeniem optycznym spowodowanym zagięciem warstwy jasnej plazmy.

Dane wyprodukowane przez MURaM dają naukowcom możliwość analizy atmosfery słonecznej i oddzielnego badania nakładających się struktur, co nie jest możliwe w przypadku obserwatoriów i instrumentów, którymi obecnie dysponujemy. Symulacja MURaM jest jedną z najbardziej realistycznych symulacji korony słonecznej, jakie kiedykolwiek stworzono, ale wciąż jest tylko modelem. Zrozumienie, ile pętli koronalnych jest w rzeczywistości złudzeniami optycznymi, będzie wymagało starannie zaprojektowanych metod obserwacyjnych, które zbadają koronę słoneczną i nowych technik analizy danych. Wiemy, że zaprojektowanie takich technik będzie niezwykle trudne, jednak opisane tu badanie pokazuje, że sposób, w jaki obecnie interpretujemy obserwacje Słońca, może nie być wystarczający, abyśmy mogli naprawdę zrozumieć fizykę naszej gwiazdy.

Więcej informacji:

Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz

Na ilustracji: Pętle koronalne obserwowane przez sondę NASA Transition Region And Coronal Explorer (TRACE). Źródło: NASA/TRACE

Reklama