Chińscy fizycy odtworzyli w laboratorium mechanizm grzejący koronę Słońca

Powierzchnia Słońca rozgrzewa się do około 5500 st. C, podczas gdy otaczająca ją zewnętrzna atmosfera osiąga temperatury przekraczające milion stopni. Ten paradoks od dekad spędza sen z powiek fizykom zajmującym się gwiazdami. Grupa badaczy z Chin przeprowadziła eksperyment laboratoryjny, który może rzucić światło na część mechanizmu odpowiedzialnego za to zjawisko.

W doświadczeniu posłużono się bardzo mocnymi laserami, za pomocą których wytworzono plazmę o właściwościach zbliżonych do tych panujących w koronie słonecznej. Naukowcy wywołali w niej drobne zakłócenia, które doprowadziły do uwolnienia energii zgromadzonej w polu magnetycznym. W efekcie temperatura elektronów podskoczyła do około 820 tys. K - niemal dwa razy wyżej niż w przeprowadzonym równolegle eksperymencie referencyjnym.

Korona jest setki razy gorętsza od powierzchni. Skąd bierze się ta różnica

Intuicyjnie trudno to pojąć. Energia powstaje w jądrze Słońca i wędruje ku jego zewnętrznym warstwom, więc logiczne byłoby założenie, że im dalej od centrum gwiazdy, tym chłodniej.

W rzeczywistości fotosfera - czyli ta część Słońca, którą widzimy - ma temperaturę rzędu 5800 K, natomiast korona rozgrzewa się do 1-2 mln K, a w niektórych miejscach nawet bardziej. Oznacza to, że bardzo rozrzedzona atmosfera gwiazdy jest setki razy gorętsza od warstwy leżącej bezpośrednio pod nią. Jednym z kluczowych wyjaśnień tego fenomenu jest rola pola magnetycznego. Przemieszczająca się w niższych partiach Słońca plazma stale wykrzywia linie pola, magazynując w nich energię. Gdy linie pola o przeciwnych zwrotach zbliżą się do siebie, dochodzi do rekoneksji magnetycznej - procesu, w którym część zmagazynowanej energii zamienia się w ciepło oraz ruch cząstek.

Wcześniej informowaliśmy o danych zebranych przez sondę Parker Solar Probe, które ujawniły, jak rekoneksja magnetyczna rozpędza cząstki znajdujące się blisko Słońca. Mimo to nadal nie ustalono, jaka część energii grzejącej koronę faktycznie pochodzi z tego zjawiska.

Laserowy ostrzał plastikowych próbek odtworzył miniaturę korony

Grupa naukowa pod kierownictwem Wei Suna z China Institute of Atomic Energy postanowiła prześledzić mechanizm uwalniania energii magnetycznej. Rezultaty ich pracy ukazały się w czasopiśmie Physical Review Letters.

Badanie zrealizowano w chińskim laboratorium laserowym Shenguang-II. Zespół skierował intensywne impulsy lasera na maleńkie próbki plastiku, których powierzchnię celowo ukształtowano w postaci fałd. Pod wpływem energii lasera materiał błyskawicznie przeszedł w stan plazmy, która zaczęła się rozprzestrzeniać.

Na styku obszarów różniących się gęstością powstały charakterystyczne formacje przypominające palce bądź grzyby. Jest to objaw niestabilności Rayleigha-Taylora - zjawiska pojawiającego się, gdy różnice gęstości i przyspieszenie powodują narastanie zaburzeń pomiędzy sąsiadującymi warstwami materii. Zbliżone warunki mogą towarzyszyć tzw. deszczowi koronalnemu w atmosferze Słońca - procesowi, podczas którego ochłodzona i zagęszczona plazma spływa wzdłuż linii pola magnetycznego, przemieszczając się przez cieplejszy i rzadszy gaz dookoła.

Drobne zaburzenia uwolniły zaskakująco dużo energii

W trakcie eksperymentu rozwijające się struktury plazmowe sprawiły, że obszary o przeciwnie skierowanych polach magnetycznych zetknęły się ze sobą. Doszło wówczas do rekoneksji, w wyniku której uwolniona energia podgrzała elektrony. Ich temperatura sięgnęła maksymalnie około 70,8 eV, co odpowiada mniej więcej 820 tys. K - wartości dwukrotnie wyższej niż w doświadczeniu referencyjnym, prowadzonym na płaskich próbkach bez wywołanych zaburzeń.

Żeby wskazać źródło dodatkowego ciepła, naukowcy połączyli obserwacje optyczne, pomiary promieniowania rentgenowskiego oraz symulacje komputerowe. Z analizy wynika, że głównym mechanizmem było przekształcenie energii pola magnetycznego w ciepło, a nie zwykłe tarcie zachodzące wewnątrz plazmy.

Odkrycie to ma istotne znaczenie dla hipotezy nanorozbłysków - niewielkich, lecz gwałtownych uwolnień energii magnetycznej. Pojedynczy taki epizod jest dużo słabszy niż klasyczny rozbłysk słoneczny, lecz ich ogromna liczba mogłaby zapewniać koronie stały dopływ energii.

To nie jedyny trop. W sierpniu opisywano inny mechanizm

Warto rozróżnić to badanie od wcześniejszego odkrycia, o którym pisaliśmy na łamach Spider's Web w sierpniu, gdy teleskop słoneczny Inouye zarejestrował na Słońcu niestabilność Kelvina-Helmholtza.

Tamto zjawisko dotyczyło głównie fal i wirów tworzących się na styku strumieni materii poruszających się z różnymi prędkościami. Opisywany teraz eksperyment koncentruje się natomiast na niestabilności Rayleigha-Taylora i jej roli w wyzwalaniu rekoneksji magnetycznej. Oba procesy mogą mieć wpływ na przepływ i uwalnianie energii, lecz są od siebie odrębne.

Chińscy badacze nie zrekonstruowali całej korony Słońca w skali rzeczywistej. Wytworzona przez nich plazma miała zaledwie kilka milimetrów, a towarzyszące jej procesy przebiegały znacznie szybciej niż te obserwowane w prawdziwej atmosferze gwiazdy. Podobieństwo ograniczało się do wybranych parametrów fizycznych, które umożliwiają porównanie zachowania plazmy w obu przypadkach.

Tajemnica korony wciąż czeka na pełne rozwiązanie

Eksperyment dowodzi, że same niestabilności plazmy potrafią wytworzyć warunki sprzyjające rekoneksji magnetycznej. Nie ma więc konieczności zakładania, że każde takie zdarzenie wynika wyłącznie z długotrwałego gromadzenia energii przez ruchy plazmy na powierzchni Słońca.

Nie wiadomo jednak, jak często taki mechanizm uruchamia się w rzeczywistej koronie ani czy wywoływane przez niego nanorozbłyski dostarczają wystarczająco dużo energii, by wytłumaczyć jej temperaturę. Zespół badawczy zapowiada kolejne eksperymenty oraz dokładniejszą analizę trójwymiarowych struktur plazmy. Dodatkowych danych mogą dostarczyć obserwacje prowadzone z kosmosu - przypominaliśmy już o misji Proba-3, której satelity wytwarzają sztuczne zaćmienia Słońca, umożliwiając obserwację procesów zachodzących w jego koronie.

Nowe wyniki nie kończą trwającego od kilkudziesięciu lat sporu o źródło nietypowo wysokich temperatur słonecznej atmosfery. Stanowią jednak laboratoryjne potwierdzenie jednego z procesów, które mogą brać udział w jej ogrzewaniu. Teraz astronomowie będą musieli ustalić, jak duży jest jego faktyczny wkład w zjawiska zachodzące na prawdziwym Słońcu.