Dziwne zagięcia pola magnetycznego Słońca. Solar Orbiter namierzył ich źródło

Nasza gwiazda bez przerwy wyrzuca w kosmos strumień naładowanych cząstek, a wraz z nimi rozciąga się jej pole magnetyczne. To pole potrafi wykonywać zaskakujące manewry, w tym chwilowo odwracać swój kierunek. Naukowcy od dawna szukali odpowiedzi na pytanie, skąd biorą się takie struktury. Teraz sonda Solar Orbiter przeleciała przez jedną z nich i pobrała próbkę otaczającej ją plazmy. Analiza jonów tlenu i węgla pozwoliła odtworzyć drogę tej materii aż do słonecznej atmosfery, a wyniki wskazują, że dwa konkurujące ze sobą dotychczas wytłumaczenia mogą opisywać ten sam mechanizm.

Pole magnetyczne nagle zawraca

Wiatr słoneczny bez ustanku ucieka z atmosfery gwiazdy, niosąc ze sobą naładowane cząstki oraz pole magnetyczne. Logicznie można by zakładać, że im dalej od Słońca, tym bardziej regularny układ przyjmują jego linie, kształtowane głównie przez rotację gwiazdy. Tymczasem urządzenia pokładowe sond kosmicznych wykrywają miejsca, w których kierunek pola zmienia się błyskawicznie i drastycznie - potrafi odchylić się niemal o 180 stopni, a potem wrócić do poprzedniej orientacji.

To zjawisko określa się mianem magnetycznego switchbacku. Dobrym porównaniem jest elastyczny kabel, który zamiast biec prostą linią, nagle zawija się w ostry łuk przypominający literę S. Nie chodzi przy tym o odwrócenie całego pola magnetycznego Słońca naraz - zmiana dotyczy jedynie lokalnego fragmentu struktury, który wędruje razem z wiatrem słonecznym.

Pierwsze ślady takich zaburzeń zarejestrowano już w latach 70. podczas misji Helios. Znacznie częściej zaczęto je jednak wykrywać za sprawą sondy Parker Solar Probe, która od 2018 roku podchodzi do Słońca bliżej niż jakikolwiek wcześniejszy pojazd kosmiczny.

W kwietniu opisywaliśmy, jak Parker Solar Probe badała rekoneksję magnetyczną i wykryła różnice w tempie przyspieszania protonów oraz cięższych jonów. Te pomiary ujawniły, jak skomplikowane procesy stoją za napędzaniem wiatru słonecznego. Wciąż jednak brakowało jednoznacznego dowodu łączącego konkretne zagięcie pola z miejscem, w którym ono powstało.

Sonda znalazła się w samym środku magnetycznego zakrętu

Tym razem badacze wykorzystali szczególnie udany przelot Solar Orbitera. Pojazd znajdował się mniej więcej w połowie drogi między Ziemią a Słońcem, gdy przeciął rozległą strukturę typu switchback.

Pomiar nie ograniczył się do samego kierunku pola magnetycznego. Instrument Solar Wind Analyser, w skrócie SWA, przeanalizował skład plazmy opływającej statek. Kluczowe okazały się jony tlenu i węgla, które zachowały informację o warunkach panujących tam, gdzie powstały.

W opublikowanym badaniu zespół prowadzony przez naukowców z francuskiego CNRS oraz Laboratoire de Physique des Plasmas wykazał, że skład tych cząstek wskazuje na ich pochodzenie z gorących, zamkniętych pętli magnetycznych w koronie słonecznej.

Skąd pewność, że to właśnie tlen i węgiel dają taką odpowiedź? W ekstremalnie wysokich temperaturach atomy sukcesywnie tracą elektrony, przechodząc w jony o różnym ładunku elektrycznym. Proporcje między takimi jonami zależą między innymi od temperatury plazmy, w której się znajdują. Gdy materia oddala się od korony Słońca i rozrzedza, kolejne zmiany stopnia jonizacji stają się coraz rzadsze. Dzięki temu jony potrafią zachować wyraźny odcisk warunków, w jakich wcześniej przebywały.

To właśnie taki odcisk odczytały instrumenty Solar Orbitera. Zespół badawczy nie musiał obserwować momentu powstania konkretnej struktury, by odtworzyć jej wcześniejszą historię.

Wszystko zaczyna się od spotkania dwóch rodzajów pola magnetycznego

W koronie Słońca współistnieją struktury pola magnetycznego otwarte i zamknięte. W otwartych liniach pole rozciąga się daleko w przestrzeń kosmiczną, tworząc swoistą drogę ucieczki dla naładowanych cząstek opuszczających atmosferę gwiazdy. W zamkniętych strukturach linie formują łuki, których oba końce wciąż łączą się ze Słońcem. Uwięziona w nich plazma jest znacznie trudniejsza do uwolnienia i może osiągać ekstremalnie wysokie temperatury.

Gdy obszary o odmiennej konfiguracji pola stykają się ze sobą, dochodzi do rekoneksji magnetycznej. Linie pola przełączają wtedy sposób połączenia, a część zmagazynowanej energii zostaje uwolniona.

W jednej z odmian tego procesu, określanej jako rekoneksja wymienna, materia dotąd uwięziona w zamkniętej pętli zyskuje możliwość ucieczki w przestrzeń kosmiczną. Towarzyszyć temu może silne zaburzenie pola magnetycznego, które następnie podróżuje razem z wiatrem słonecznym.

Skład jonów zarejestrowany przez Solar Orbitera stanowi mocny dowód na rzecz właśnie takiego scenariusza. Naukowcy zestawili dane z sondy ze zdjęciami Słońca oraz pomiarami NASA Solar Dynamics Observatory, a następnie zastosowali model pola magnetycznego, dzięki któremu udało się wskazać prawdopodobny obszar, z którego pochodziła obserwowana plazma.

Dwie konkurencyjne teorie mogą być prawdziwe jednocześnie

Przez lata naukowcy rozważali dwie główne koncepcje tłumaczące powstawanie magnetycznych zagięć. Pierwsza zakłada, że tworzą się one w pobliżu Słońca na skutek rekoneksji. Druga wiąże ich rozwój głównie z falami i turbulencjami obecnymi w przepływającym wietrze słonecznym. Nowe obserwacje sugerują, że wcale nie trzeba wybierać między tymi wyjaśnieniami.

Rekoneksja może odpowiadać za uwolnienie plazmy i wytworzenie wstępnego zaburzenia jeszcze w koronie. Później, w miarę jak struktura oddala się od gwiazdy, jej kształt i sposób przemieszczania mogą być modyfikowane przez fale magnetohydrodynamiczne oraz turbulencje. Szczególną rolę przypisuje się tu falom Alfvéna, w których zaburzenia pola magnetycznego i ruchu plazmy rozchodzą się wspólnie - to jeden z podstawowych mechanizmów transportu energii w materii zjonizowanej.

Solar Orbiter dostarczył więc argumentów za tym, że rekoneksja i turbulencje działają na różnych etapach istnienia tej samej struktury. Nie jest to jeszcze ostateczne rozwiązanie zagadki wszystkich switchbacków - badacze przeanalizowali szczegółowo jeden wyjątkowo duży przypadek, a kolejne obserwacje muszą pokazać, czy identyczny mechanizm tłumaczy również mniejsze, znacznie częstsze zagięcia.

Nowe badanie pokazuje, że skład jonów może pomóc w odtworzeniu historii materii, która opuściła Słońce wiele godzin wcześniej. Ma to szczególną wartość, ponieważ sam wiatr słoneczny jest bardzo zróżnicowany - jego prędkość, gęstość, temperatura i właściwości magnetyczne zmieniają się w zależności od regionu pochodzenia oraz procesów zachodzących w trakcie podróży przez przestrzeń kosmiczną.

Wcześniej opisywaliśmy też inne odkrycie Solar Orbitera - kaskadę drobnych zdarzeń rekoneksji prowadzącą do gwałtownego rozbłysku słonecznego. Tamto badanie pozwoliło zajrzeć bezpośrednio w proces uwalniania energii w koronie. Tym razem udało się natomiast wykryć ślady podobnych zjawisk w materii, która zdążyła już znacznie oddalić się od gwiazdy.

Tego typu informacje mają znaczenie również dla modeli pogody kosmicznej. Wiatr słoneczny stale oddziałuje z magnetosferą Ziemi, a jego gwałtowne zmiany mogą wpływać na pracę satelitów, systemy nawigacyjne oraz sieci energetyczne.

Aktywność Słońca potrafi też podgrzewać i rozszerzać górne warstwy atmosfery Ziemi, co zwiększa opór działający na satelity krążące po niskiej orbicie. Dokładniejsze poznanie mechanizmów napędzających wiatr słoneczny jest więc istotne także z perspektywy infrastruktury działającej na Ziemi. To przede wszystkim krok naprzód w rozumieniu fizyki naszej gwiazdy, który dopiero z czasem może przełożyć się na precyzyjniejsze prognozy.