Plazmaeső vezethet a lassú napszél nyomára

1642

2017-ben Emily Mason öt hónapon át minden nap, amikor beérkezett a NASA Goddard Űrközpontjába, leült az asztalához, bekapcsolta a számítógépét, és a Napról készült képeket bámulta. Egész nap. „Úgy három-öt évnyi adatot néztem át.” – mondta. Aztán 2017 októberében rájött, hogy mindvégig rossz helyen keresgélt.

Mason, a washingtoni Amerikai Katolikus Egyetem PhD hallgatója, koronális eső nyomait kereste: óriási plazmacsomókat, amelyek a Nap külső légköréből csepegnek vissza annak felszínére. Arra számított, hogy a több millió kilométer magas mágneses hurkokban, a hegyes lovagsisak formájú kitörésekben fog rájuk bukkanni, amelyeket a napfogyatkozások alkalmával szoktunk megfigyelni. A számítógépes szimulációk szerint ugyanis a koronális esőt ezeken a helyeken kell keresni. A Napról a világűrbe kiszökő anyag, a napszél megfigyelései arra utaltak, hogy számítani lehet a jelenségre. Mason tudta, hogy ha sikerülne megérteni az eső keletkezésének fizikáját, az megoldhatná a 70 éves rejtélyt: miért melegebb a napkorona, mint a Nap felszíne? Közel fél évnyi kutatás után azonban Mason még mindig nem találta, amit keresett. „Túl sokat kutattam valami után, ami meg sem történt.”

Mason olyan sisak formájú napkitöréseket keresett, amilyen az 1994-es dél-amerikai teljes napfogyatkozásról készült képen balra látható. Ezek a kitörések olyan nagyok, hogy messze belenyúlnak a Nap halvány koronájába, és a legjobban akkor láthatók, amikor a napkorongról érkező fény el van takarva. (Forrás: © 1994 Úpice observatory and Vojtech Rušin, © 2007 Miloslav Druckmüller

Mint kiderült, nem azzal volt a probléma, amit keresett, hanem azzal, hogy hol. Az Astrophysical Journal Letters folyóiratban nemrég megjelent tanulmányban Mason és munkatársai bemutatják az első koronális esőt, amit egy kisebb mágneses hurokban találtak. A hosszú, eredménytelen munka után végül találtak valamit, ami kapcsolatba hozhatja a korona furcsa melegedését és a lassú napszél eredetét – a két legnagyobb, Nappal kapcsolatos rejtélyt.

Milyen az eső a Napon?

A NASA SDO napkutató szondájának nagy felbontású képein a Nap, ez a forró plazmagömb, amely tele van hatalmas, a mágneses erővonalakat követő tüzes hurkokkal, csak kevés hasonlóságot mutat Földünkkel. Bolygónk azonban nyújt némi útmutatást a Nap kaotikus zűrzavarában, például az eső elemzéséhez.

A Földön az eső része a víz körforgásának, a hő és a tömegvonzás végtelen huzavonájának. Amikor a bolygó felszínén az óceánokban, tavakban és folyókban raktározott vizet felmelegíti a Nap, a víz egy része elpárolog, vagyis a légkörbe kerül, ahol lehűl, és felhőket képezve kicsapódik. A felhők aztán annyira nehezek lesznek, hogy nem tudnak ellenállni a gravitációnak, így a víz eső formájában visszahull a földre. A folyamat ezután újraindul.

A Nap esői hasonlóan működnek, magyarázza Mason. „Tízfokos esővíz helyett azonban több millió fokos plazmával kell számolnunk.” A töltéssel rendelkező részecskék tömege, a plazma nem áll össze tócsává, hanem követi a mágneses hurkokat, amelyek a Nap felszínéről indulnak, és hullámvasutazik rajtuk. A hurkok lábainál, a Nap felszínéhez közel a plazma 1 millió Celsius-fokra melegszik. Amikor feljut a hurok csúcsára, eltávolodik a hőforrástól, lehűl és kondenzálódik, a gravitáció pedig koronális eső formájában húzza vissza a hurok lábaihoz.

A koronális eső a NASA SDO 2012-es képeiből összeállított mozgóképen. (Forrás: NASA’s Solar Dynamics Observatory/Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman, Lead Animator)

Mason azért keresett a sisak formájú kitörésekben koronális esőt, hogy megértse a ciklikus melegedést és lehűlést. A kutatók az 1990-es évek közepe óta tudják, hogy a sisak formájú kitörésekből származik az úgynevezett lassú napszél, egy viszonylag lassú, sűrű gázsugár, amely gyorsabban mozgó társától elkülönülve hagyja el a Napot. A lassú napszél vizsgálata során azt találták, hogy az anyag extrém magas hőmérsékletre melegedett fel, mielőtt lehűlve útnak indult volna. Ha sikerült volna a koronális esőt a sisak formájú napkitörésekben megtalálni, a ciklikus melegedés és lehűlés érdekes adalék lett volna a Nap megértéséhez.

A Napot övező másik nagy rejtély, hogy mitől és hogyan lehet 300-szor melegebb a Nap külső légköre a felszínénél. Meglepő módon a szimulációk azt mutatták, hogy a koronális eső csak akkor jelentkezik, amikor a hurok legalján történik a fűtés. „Ha egy hurokban koronális eső van, az azt jelenti, hogy az alsó 10 százalékában, vagy még kisebb helyen történik a melegedés.” – mondja Mason. Az eső  megmutatja, hol melegszik a korona. A keresést a legnagyobb hurkokban kezdték, hogy növeljék a siker esélyét.

A legjobb adatokat használták fel a munkához: a NASA Solar Dynamics Observatory (SDO) napszondájának felvételeit. A szonda 2010-es felbocsátása óta 12 másodpercenként készít felvételeket a Napról. Közel fél évnyi kutatás után Mason még mindig nem talált egyetlen esőcseppet sem a nagy hurkokban. Észrevett ugyanakkor olyan apró mágneses struktúrákat, amelyeket nem ismert. „Nagyon fényesek voltak, nem tudtam levenni a szemem róluk.” Mason először annyira ragaszkodott az eredeti tervhez, hogy ezekkel a megfigyelésekkel nem is foglalkozott. „Bejött a megbeszélésre, és azt mondta: Nem találtuk meg. Más struktúrákban folyton előkerül, de a sisakokban nem.” – mondta Nicholeen Viall, a tanulmány társszerzője. „Akkor azt mondtam: Várj. Hol látod? Szerintem még senki sem látta eddig.”

Mérőszalag a felmelegedéshez

Ezek a struktúrák több szempontból is különböztek a sisak formájú kitörésektől. A legfontosabb különbség azonban a méretükben rejlett. „Ezek a hurkok sokkal kisebbek voltak, mint amit kerestünk” – mondta Spiro Antiochos napkutató, aki szintén társszerzője a tanulmánynak. „Ez azt jelenti, hogy a korona melegedése sokkal inkább helyhez kötött, mint gondoltuk.”

A tanulmány három mágneses struktúrát elemzett két szélsőséges ultraibolya-hullámhosszon. A viszonylag kicsi mágneses hurkokban megfigyelt koronális eső arra utal, hogy a korona sokkal kisebb területen melegszik fel, mint korábban gondolták. (Forrás: NASA’s Solar Dynamics Observatory/Emily Mason)

Bár azt nem tudják pontosan, hogyan melegszik fel a korona, az már kiderült, hogy hol. Mason olyan esőhurkokat talált, amelyek 50 ezer kilométer magasak. Ez a méret mindössze két százaléka a korábban vizsgált hurkok magasságának. Az eső abban a régióban alakul ki, ahol a koronális melegedés zajlik. „Még mindig nem tudjuk, mi fűti a koronát, de tudjuk, hogy ebben a rétegben kell történnie.” – mondta Mason.

A lassú napszél új forrása

A megfigyelések egy része nem igazolta a jelenlegi elméleteket. Mai tudásunk szerint a koronális eső csak zárt hurkokban alakulhat ki, ahol a plazma az elszökés lehetősége nélkül összegyűlik, és lehűl. Ahogy azonban Mason átvizsgálta az adatokat, olyan eseteket talált, ahol az eső nyílt mágneses erővonalak mentén alakult ki. A Naphoz csak az egyik végén lehorgonyzott erővonalak másik vége az űrbe nyúlik, így a plazma a napszélbe kerülhet. Hogy magyarázatot találjon az anomáliára, Mason és csapata egy alternatív elméletet dolgozott ki, amely a kis mágneses struktúrákban kialakuló esőt a lassú napszélhez kapcsolja.

Az új magyarázat szerint a plazmaeső egy zárt hurokban kezdi az utazását, de a mágneses átkötődésként ismert folyamaton keresztül átvált egy nyílt hurokra. A jelenség gyakran fordul elő a Napon. Ilyenkor egy zárt hurok egy nyílt erővonalba ütközik, és a rendszer újraformálódik. A zárt hurokban lévő forró plazma egy nyílt mágneses erővonalon találja magát, mint amikor egy vonat áthalad a váltón. Itt a plazma egy része gyorsan kitágul, lehűl, majd koronális eső formájában visszahullik a Napra. A többi része azonban elmenekül, és a csapat szerint ebből lesz a lassú napszél.

Mason jelenleg az új elmélet számítógépes szimulációján dolgozik, de reméli, hogy előbb-utóbb megfigyelésekkel is alátámaszthatják a teóriát. A 2018-ban felbocsátott Parker napszonda minden korábbi űreszköznél közelebb merészkedik a Naphoz, így áthaladhat a lassú napszél anyagán, adatokat gyűjtve Mason elméletének alátámasztásához.

Forrás: NASA

Hozzászólás

hozzászólás