Μια φυσική διεργασία που οι επιστήμονες γνώριζαν θεωρητικά εδώ και περισσότερο από έναν αιώνα, αλλά δεν είχαν καταφέρει ποτέ να παρατηρήσουν με σαφήνεια στην επιφάνεια του Ήλιου, αποκαλύφθηκε για πρώτη φορά χάρη στο ισχυρότερο ηλιακό τηλεσκόπιο στον κόσμο.
Διεθνής ομάδα ερευνητών, χρησιμοποιώντας το Ηλιακό
Τηλεσκόπιο Ντάνιελ Κ. Ινόουε του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών των ΗΠΑ, εντόπισε
στη φωτόσφαιρα – τη φωτεινή επιφάνεια του Ήλιου που βλέπουμε από τη Γη –
μικροσκοπικές δίνες που προκαλούνται από τη λεγόμενη αστάθεια Κέλβιν-Χέλμχολτζ.
Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν στο επιστημονικό περιοδικό Nature.
Η ανακάλυψη θεωρείται σημαντική επειδή αυτές οι δίνες
ενδέχεται να αποτελούν έναν από τους μηχανισμούς που μεταφέρουν και συσσωρεύουν
μαγνητική ενέργεια στην ηλιακή ατμόσφαιρα, συμβάλλοντας τελικά σε φαινόμενα από
μικροσκοπικές εκλάμψεις μέχρι ισχυρές ηλιακές εκρήξεις και εκτινάξεις
στεμματικής μάζας.
Τι είναι η αστάθεια Κέλβιν-Χέλμχολτζ
Το φαινόμενο εμφανίζεται όταν δύο γειτονικά στρώματα
ρευστού κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες. Η διαφορά αυτή δημιουργεί
διατμητικές δυνάμεις στο όριό τους και μικρές διαταραχές μπορούν να εξελιχθούν
σε χαρακτηριστικές κυματοειδείς δίνες, παρόμοιες με κύματα που «σπάνε» στη
θάλασσα.
Η φυσική αυτή διεργασία, που περιγράφηκε τον 19ο αιώνα
από τον Λόρδο Κέλβιν και τον Χέρμαν φον Χέλμχολτζ, έχει παρατηρηθεί σε κύματα
και σύννεφα στη Γη, στις ατμόσφαιρες πλανητών όπως ο Δίας και ο Κρόνος, αλλά
και στην αλληλεπίδραση του ηλιακού ανέμου με τα μαγνητικά πεδία των πλανητών.
Στον Ήλιο, όμως, οι αντίστοιχες δομές είναι εξαιρετικά
μικρές και μέχρι σήμερα παρέμεναν ουσιαστικά αόρατες.
Στο ακόλουθο βίντεο βλέπετε δεδομένα από το Ηλιακό
Τηλεσκόπιο Ινόουε, τα οποία ελήφθησαν σε μήκος κύματος 416 νανομέτρων, με τρεις
μεγεθυμένες περιοχές. Οι τρεις επιλεγμένες περιοχές σε κοντινή απεικόνιση
δείχνουν την αστάθεια Κέλβιν–Χέλμχολτζ στον Ήλιο:
Δίνες μόλις δεκάδων χιλιομέτρων
Η εξαιρετικά υψηλή ανάλυση του τηλεσκοπίου Ινόουε
επέτρεψε στους επιστήμονες να δουν μικροσκοπικές στροβιλώδεις δομές στα όρια
περιοχών όπου συγκεντρώνεται ισχυρό μαγνητικό πεδίο.
Οι ερευνητές εντόπισαν δεκάδες τέτοιες δίνες και
διαπίστωσαν ότι η χαρακτηριστική μεταξύ τους απόσταση ήταν περίπου 50 έως 65
χιλιόμετρα.
Στη συνέχεια συνέκριναν τις πραγματικές παρατηρήσεις με
προηγμένες υπολογιστικές προσομοιώσεις της ηλιακής φωτόσφαιρας.
Οι ίδιες δομές εμφανίστηκαν και στα μοντέλα, με
εντυπωσιακά παρόμοιο μέγεθος και συμπεριφορά. Η συμφωνία παρατηρήσεων,
προσομοιώσεων και θεωρητικών υπολογισμών επέτρεψε στην ομάδα να αποδώσει με
μεγάλη βεβαιότητα τις δίνες στην αστάθεια Κέλβιν-Χέλμχολτζ.
Όπως εξηγεί ο Ντέιβιντ Μπόμπολτζ, αναπληρωτής διευθυντής
του Εθνικού Ηλιακού Παρατηρητηρίου των ΗΠΑ: «Πιστεύουμε ότι η ανακάλυψη της
αστάθειας Κέλβιν-Χέλμχολτζ στην ηλιακή φωτόσφαιρα, η οποία υποστηρίζεται από
την ανάλυση αριθμητικών προσομοιώσεων, αποτελεί ένα σημαντικό βήμα προς την
κατανόηση της δυναμικής και της εξέλιξης του ηλιακού και αστρικού πλάσματος και
θα αποτελέσει τη βάση για μελλοντικές ανακαλύψεις».
Στο ακόλουθο βίντεο βλέπετε την υψηλότερης ανάλυσης
εικόνα της επιφάνειας του Ήλιου (φωτόσφαιρας) που έχει καταγραφεί ποτέ, η οποία
ελήφθη σε μήκος κύματος 416 νανομέτρων από το Ηλιακό Τηλεσκόπιο Ινόουε.
Αποκαλύπτει παραμορφωμένα όρια μαγνητικών στοιχείων και εξαιρετικά λεπτές
λωρίδες, χαρακτηριστικά που συνδέονται και τα δύο με την αστάθεια
Κέλβιν–Χέλμχολτζ:
Και το επόμενο βίντεο κοντινής απεικόνισης, το οποίο
προέκυψε από τις υψηλής ανάλυσης παρατηρήσεις της ηλιακής επιφάνειας με το
Ηλιακό Τηλεσκόπιο Ινόουε, αποκαλύπτει ενδείξεις της αστάθειας Κέλβιν–Χέλμχολτζ
με πρωτοφανή ευκρίνεια:
Ένας πιθανός «κινητήρας» της ηλιακής δραστηριότητας
Η σημασία της ανακάλυψης βρίσκεται κυρίως στο τι μπορεί
να κάνουν αυτές οι μικροσκοπικές δίνες στο μαγνητικό πεδίο του Ήλιου.
Μία από τις βασικές θεωρίες για την αποθήκευση μαγνητικής
ενέργειας στον Ήλιο είναι η λεγόμενη «πλέξη της μαγνητικής ροής».
Οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου συστρέφονται και
μπλέκονται μεταξύ τους, όπως οι τρίχες μιας πλεξούδας, αποθηκεύοντας ενέργεια.
Όταν η συσσωρευμένη ένταση απελευθερωθεί μέσω της
λεγόμενης μαγνητικής επανασύνδεσης, μπορεί να προκληθεί απότομη έκλυση
τεράστιων ποσοτήτων ενέργειας.
Μέχρι σήμερα, ωστόσο, παρέμενε ασαφές ποιος μηχανισμός
προκαλεί συνεχώς αυτή τη συστροφή.
Οι νεοανακαλυφθείσες δίνες ίσως αποτελούν μέρος της
απάντησης. Εφόσον εμφανίζονται διαρκώς στα όρια μαγνητικών περιοχών, θα
μπορούσαν να λειτουργούν σαν ένας μικροσκοπικός αλλά πανταχού παρών
«κινητήρας», που ανακατεύει το ηλιακό πλάσμα και συστρέφει τις γραμμές του
μαγνητικού πεδίου.
Αυτό έχει ιδιαίτερη σημασία και για τη Γη. Οι ισχυρές
ηλιακές εκλάμψεις και οι εκτινάξεις στεμματικής μάζας αποτελούν βασικές πηγές
του διαστημικού καιρού, ο οποίος σε ακραίες περιπτώσεις μπορεί να επηρεάσει
δορυφόρους, τηλεπικοινωνίες, συστήματα GPS και ηλεκτρικά δίκτυα.
Σύγκριση, δίπλα-δίπλα, μιας πραγματικής παρατήρησης από
το Ηλιακό Τηλεσκόπιο Ινόουε (επάνω αριστερά) και μιας συνθετικής εικόνας που
δημιουργήθηκε από υπερσύγχρονες υπολογιστικές προσομοιώσεις βασισμένες στη
φυσική (επάνω δεξιά). Η αξιοσημείωτη συμφωνία μεταξύ των δύο επιτρέπει στους
επιστήμονες να επιβεβαιώσουν την προέλευση της αστάθειας Κέλβιν–Χέλμχολτζ, ενός
καθολικού φυσικού φαινομένου που εμφανίζεται όταν γειτονικά στρώματα ρευστού ή
αερίου κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες, δημιουργώντας στροβιλώδεις
σχηματισμούς στη μεταξύ τους επιφάνεια. Ένας προσομοιωμένος χάρτης του
μαγνητικού πεδίου της επιφάνειας του Ήλιου (κάτω δεξιά) επιβεβαιώνει ότι αυτές
οι διεργασίες κάμπτουν και παραμορφώνουν με φυσικό τρόπο τα όρια των μαγνητικών
στοιχείων.
Ένα ακόμη
κομμάτι στο μυστήριο του ηλιακού στέμματος
Η ανακάλυψη μπορεί επίσης να βοηθήσει στην κατανόηση ενός
από τα παλαιότερα παράδοξα της ηλιακής φυσικής – γιατί το εξωτερικό στέμμα του
Ήλιου φτάνει σε θερμοκρασίες εκατομμυρίων βαθμών, ενώ η ορατή επιφάνειά του
είναι πολύ ψυχρότερη.
Ο Τόμας Ρίμελε, επικεφαλής τεχνολογίας του Εθνικού
Ηλιακού Παρατηρητηρίου, σημειώνει: «Η αστάθεια Κέλβιν-Χέλμχολτζ είναι πιθανό να
αποτελεί έναν μηχανισμό που συμβάλλει στη θέρμανση της εξωτερικής ατμόσφαιρας
και μέρος της λύσης στο μακροχρόνιο αίνιγμα του γιατί τα άστρα διαθέτουν στέμμα
με θερμοκρασία εκατομμυρίων βαθμών Κέλβιν».
Οι ερευνητές εκτιμούν ακόμη ότι οι δίνες αναμειγνύουν
αποτελεσματικά μαγνητισμένο και μη μαγνητισμένο πλάσμα και μπορούν να
επιταχύνουν τη διάχυση των μαγνητικών πεδίων. Το στοιχείο αυτό ενδέχεται να
βοηθήσει στην εξήγηση του τρόπου με τον οποίο το ηλιακό μαγνητικό πεδίο
μεταβάλλεται τόσο γρήγορα στο πλαίσιο του περίπου 11ετούς ηλιακού κύκλου.
Το επόμενο βήμα θα είναι η αυτοματοποιημένη ανίχνευση
χιλιάδων τέτοιων μικροσκοπικών δινών στις παρατηρήσεις του Ινόουε, ώστε να
υπολογιστεί πόση ενέργεια μπορούν πραγματικά να μεταφέρουν προς τα ανώτερα
στρώματα της ηλιακής ατμόσφαιρας.
Εάν αποδειχθεί ότι η συμβολή τους είναι σημαντική, μια
διεργασία που μέχρι σήμερα κρυβόταν σε κλίμακες πολύ μικρές για να παρατηρηθούν
μπορεί να αποδειχθεί βασικό κομμάτι της εξήγησης για το πώς ο Ήλιος αποθηκεύει,
μεταφέρει και τελικά απελευθερώνει την τεράστια ενέργειά του.