Όταν το μη επανδρωμένο ερευνητικό διαστημικό σκάφος Parker Solar Probe της NASA έστειλε τις πρώτες παρατηρήσεις από το ταξίδι της στον Ήλιο, οι επιστήμονες βρήκαν σημάδια ενός άγριου ωκεανού από ρεύματα και κύματα αρκετά αντίθετα με το διάστημα που υπάρχει κοντά στη Γη και πολύ πιο κοντά στον πλανήτη μας. Ο ωκεανός αυτός ήταν χαρακτηρισμένος με αυτό που έγινε πλέον γνωστό ως αναστροφή (switchback): ταχεία ανατροπή στο μαγνητικό πεδίο του Ήλιου στο οποίο παρατηρείται αντιστροφή της κατεύθυνσης του σαν έναν ζιγκ-ζαγκ ορεινό δρόμο.
(Διαβάστε προηγούμενο μας άρθρο εδώ)
Το Parker Solar Probe παρατήρησε κινητικές μεταβολές - διαταραχές στον ηλιακό άνεμο οι οποίες οδήγησαν το μαγνητικό πεδίο να κάμπτεται προς τον εαυτό του - ένα ακόμη ανεξήγητο φαινόμενο που θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να ανακαλύψουν περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το πώς επιταχύνεται ο ηλιακός άνεμος ο οποίος προέρχεται από τον Ήλιο Εικόνα: NASA's Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab/Adriana Manrique Gutierrez
Από τους Miles Hatfield & Lina Tran, και το διαστημικό κέντρο διαστημικών πτήσεων Goddard της NASA
Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η συγκέντρωση του ιστορικού των αναστροφών είναι ένα σημαντικό μέρος της κατανόησης του ηλιακού ανέμου, του σταθερού ρεύματος φορτισμένων σωματιδίων που ρέει από τον Ήλιο. Ο ηλιακός άνεμος επιδίδεται σε ενα αγώνα ταχύτητας μέσω του ηλιακού συστήματος, σχηματίζοντας ένα τεράστιο διαστημικό καιρικό σύστημα, το οποίο μελετάμε τακτικά από διάφορα πλεονεκτικά σημεία γύρω από το ηλιακό σύστημα - αλλά εξακολουθούμε να έχουμε βασικές ερωτήσεις σχετικά με το πώς ο Ήλιος κατάφερε αρχικά να εκτοξεύσει αυτές τις ριπές οι οποίες ταξιδεύουν με ταχύτητα περίπου δύο εκατομμύρια μίλια την ώρα.
Οι ηλιακοί φυσικοί γνωρίζουν εδώ και πολύ καιρό ότι ο ηλιακός άνεμος διαχέεται στο διάστημα σε δυο τύπους: ο γρήγορος άνεμος, ο οποίος ταξιδεύει περίπου 430 μίλια το δευτερόλεπτο και ο αργός άνεμος, ο οποίος ταξιδεύει πιο κοντά στα 220 μίλια το δευτερόλεπτο. Ο γρήγορος άνεμος τείνει να προέρχεται από στεματικές τρύπες, σκοτεινά σημεία στον Ήλιο γεμάτα από ανοιχτό μαγνητικό πεδίο. Ο βραδύτερος άνεμος αναδύεται από μέρη του Ήλιου όπου τα ανοιχτά και κλειστά μαγνητικά πεδία ανακατεύονται. Υπάρχουν όμως πολλά ακόμα που πρέπει να μάθουμε για το τι οδηγεί τον ηλιακό άνεμο, και οι επιστήμονες υποπτεύονται ότι οι αναστροφές (switchbacks)- έντονη και ταχεία εκτόξευση ηλιακού υλικού με τη μορφή πιδάκων γύρω από τον Ήλιο - κρατούν στοιχεία για την προέλευσή του.
Από την ανακάλυψή τους, οι αναστροφές έχουν προκαλέσει μια πληθώρα μελετών και επιστημονικών συζητήσεων καθώς οι ερευνητές προσπαθούν να εξηγήσουν πώς σχηματίζονται οι μαγνητικοί παλμοί.
"Αυτή είναι η επιστημονική διαδικασία σε δράση", δήλωσε η Kelly Korreck, επιστήμονας του προγράμματος Ηλιοφυσικής στα κεντρικά γραφεία της NASA. "Υπάρχει μια ποικιλία θεωριών, και καθώς λαμβάνουμε όλο και περισσότερα δεδομένα για να δοκιμάσουμε αυτές τις θεωρίες, πλησιάζουμε πιο κοντά στο να κατανοήσουμε τις αναστροφές και τον ρόλο τους στον ηλιακό άνεμο."
Μαγνητικά πυροτεχνήματα
Από τη μία πλευρά της συζήτησης: μια ομάδα ερευνητών πιστεύουν ότι οι αναστροφές προέρχονται από μια δραματική μαγνητική έκρηξη που συμβαίνει στην ατμόσφαιρα του Ήλιου.
Σημάδια για αυτό που τώρα αποκαλούμε αναστροφές παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά από την κοινή αποστολή Ulysses της NASA και του Ευρωπαϊκού Οργανισμoύ Διαστήματος, και ήταν το πρώτο διαστημικό σκάφος που πέταξε πάνω από τους πόλους του Ήλιου. Αλλά όταν τα δεδομένα κατέφθασαν από το Parker Solar Probe δεκαετίες αργότερα, οι επιστήμονες εξεπλάγησαν ότι ανακάλυψαν τόσα πολλά πράγματα.
Καθώς ο Ήλιος περιστρέφεται και τα υπέρθερμα αέρια αναδεύονται, τα μαγνητικά πεδία μεταναστεύουν γύρω από το μητρικό μας άστρο. Ορισμένες γραμμές μαγνητικού πεδίου είναι ανοιχτές, σαν κορδέλες που κυματίζουν στον άνεμο. Άλλες είναι κλειστές, με τα δύο άκρα ή τα «σημεία» (footpoints) να είναι προσκολλημένα στον Ήλιο, σχηματίζοντας βρόχους που οδηγούνται από καυτό ηλιακό υλικό. Μία θεωρία - που προτάθηκε αρχικά το 1996 με βάση τα δεδομένα από το Ulysses - υποδηλώνει ότι οι αναστροφές είναι αποτέλεσμα σύγκρουσης μεταξύ ανοιχτών και κλειστών μαγνητικών πεδίων. Μια ανάλυση που δημοσιεύθηκε πέρυσι από τους επιστήμονες Justin Kasper και Len Fisk του Πανεπιστημίου του Michigan διερευνά περαιτέρω τη 20ετή αυτή θεωρία.
Όταν μια γραμμή ανοιχτού μαγνητικού πεδίου έρχεται σε τριβή ενάντια σε έναν κλειστό μαγνητικό βρόχο, μπορούν να διαμορφωθεί εκ νέου μια διαδικασία που ονομάζεται επανασύνδεση ανταλλαγής (interchange reconnection) - μια εκρηκτική αναδιάταξη των μαγνητικών πεδίων που οδηγεί σε ενα σχήμα αναστροφής. "Η μαγνητική επανασύνδεση μοιάζει λίγο σαν έχουμε ενα ψαλίδι και ένα ηλεκτρονικό κολλητήρι σε ένα", δήλωσε ο Gary Zank, ηλιακός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Alabama στο Huntsville. Η ανοιχτή γραμμή σπάει πάνω στον κλειστό βρόχο, ελευθερώνοντας μια καυτή έκρηξη πλάσματος από τον βρόχο, ενώ «κολλάει» τα δύο πεδία σχηματίζοντας έτσι μια νέα διαμόρφωση. Αυτή η ξαφνική θραύση ρίχνει μια συστροφή σχήματος S στην ανοιχτή γραμμή μαγνητικού πεδίου πριν ο βρόχος ξανακλείσει - λίγο σαν, για παράδειγμα, ο τρόπος με τον οποίο ένα γρήγορο τράβηγμα του χεριού θα στείλει ένα κύμα σχήματος S σε ένα σχοινί.
Εικόνα: https://courses.lumenlearning.com/suny-osuniversityphysics/chapter/16-1-traveling-waves/
Άλλες ερευνητικές εργασίες εξέτασαν πώς διαμορφώνονται οι αναστροφές μετά τα....πυροτεχνήματα της επανασύνδεσης. Συχνά, αυτό σημαίνει τη δημιουργία μαθηματικών προσομοιώσεων, και στη συνέχεια, τη σύγκριση των αλλαγών που δημιουργούνται από τον υπολογιστή με τα δεδομένα του Parker Solar Probe. Εάν ταιριάζουν, η φυσική που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία των μοντέλων μπορεί να βοηθήσει επιτυχώς στην περιγραφή της πραγματικής φυσικής των αναστροφών.
Ο Zank ηγήθηκε της ανάπτυξης του πρώτου μοντέλου αναστροφών. Το μοντέλο του δεν προτείνει ένα, αλλά δύο μαγνητικά "μαστίγια" τα οποία γεννιούνται κατά την επανασύνδεση: Το ένα ταξιδεύει κάτω προς την ηλιακή επιφάνεια και το άλλο παίζει το ρόλο φερμουάρ (συνδετικά) προς τον ηλιακό άνεμο. Όπως ένα ηλεκτρικό καλώδιο κατασκευασμένο από μια δέσμη μικρότερων καλωδίων, κάθε μαγνητικός βρόχος αποτελείται από πολλές γραμμές μαγνητικού πεδίου. "Αυτό που συμβαίνει είναι ότι καθένα από αυτά τα μεμονωμένα καλώδια επανασυνδέεται, οπότε παράγετε ένα πλήθος αλλαγών σε σύντομο χρονικό διάστημα", δήλωσε ο Zank.
Γραφικό στο οποίο απεικονίζονται πέντε τρέχουσες θεωρίες που εξηγούν πώς σχηματίζονται οι αναστροφές. Η εικόνα δεν είναι σε κλίμακα. Εικόνα: NASA’s Goddard Space Flight Center/Miles Hatfield/Lina Tran/Mary-Pat Hrybyk Keith
Ο Zank και η ομάδα του μοντελοποίησαν την πρώτη αναστροφή που έλαβαν από το Parker Solar Probe η οποία παρατηρήθηκε στις 6 Νοεμβρίου του 2018. Αυτό το πρώτο μοντέλο ταιριάζει καλά στις παρατηρήσεις, ενθαρρύνοντας την ομάδα να την αναπτύξει περαιτέρω. Τα αποτελέσματα της ομάδας δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό-ιστότοπο The Astrophysical Journal στις 26 Οκτωβρίου του 2020.
Μια άλλη ομάδα επιστημόνων, με επικεφαλής τον φυσικό του Πανεπιστημίου του Μέριλαντ James Drake, συμφωνεί για την εισαγωγή της επανασύνδεσης ανταλλαγής. Αλλά διαφέρουν όσον αφορά τη φύση των ίδιων των αναστροφών. Άλλοι λένε ότι οι αναστροφές είναι μια συστροφή σε μια γραμμή μαγνητικού πεδίου. Ο Drake και η ομάδα του προτείνουν ότι αυτό που παρατηρεί το Parker Solar Probe είναι η υπογραφή ενός είδους μαγνητικής δομής, που ονομάζεται σχοινί ροής (flux rope).
Στις προσομοιώσεις του Drake, η συστροφή στο πεδίο δεν ταξίδεψε πολύ μακριά πριν αποσβεστεί. "Οι γραμμές μαγνητικού πεδίου είναι σαν λαστιχένιες ταινίες, τους αρέσει να επιστρέφουν στο αρχικό τους σχήμα", εξήγησε. Αλλά οι επιστήμονες γνώριζαν ότι οι αναστροφές πρέπει να είναι αρκετά σταθερές για να ταξιδέψουν εκεί όπου θα μπορούσε να τις "δει" το Parker Solar Probe. Από την άλλη πλευρά, τα σχοινιά ροής (flux ropes) - τα οποία θεωρούνται βασικά συστατικά πολλών ηλιακών εκρήξεων - είναι πιο ανθεκτικά. Φανταστείτε ένα μαγνητικό ριγέ Γλειφιτζούρι μπαστούνι. Αυτό είναι ένα σχοινί ροής: λωρίδες μαγνητικού πεδίου τυλιγμένες γύρω από μια δέσμη ενός έντονου μαγνητικού πεδίου.
Ο Drake και η ομάδα του πιστεύουν ότι τα σχοινιά ροής θα μπορούσαν να είναι ένα σημαντικό μέρος της εξήγησης των αναστροφών, καθώς θα έπρεπε να είναι αρκετά σταθερές για να ταξιδέψουν εκεί όπου τα παρατηρούσε το Parker Solar Probe. Η μελέτη τους - που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό-ιστότοπο Astronomy and Astrophysics στις 8 Οκτωβρίου του 2020 - θέτει τα θεμέλια για την κατασκευή ενός μοντέλου με βάση το σχοινί ροής για να περιγράψει την προέλευση των αναστροφών.
Αυτό που έχουν κοινό όλοι αυτοί οι επιστήμονες είναι ότι πιστεύουν ότι η μαγνητική επανασύνδεση μπορεί να εξηγήσει όχι μόνο πώς σχηματίζονται οι αναστροφές αλλά και πώς θερμαίνεται ο ηλιακός άνεμος και βγαίνει από τον Ήλιο. Συγκεκριμένα, οι αναστροφές συνδέονται με τον αργό ηλιακό άνεμο. Κάθε αναστροφή εκτοξεύει μια μεγάλη ποσότητα θερμού πλάσματος στο διάστημα. "Λοιπόν, ρωτάμε, Αν προσθέσετε όλες αυτές τις εκρήξεις, μπορούν να συμβάλουν στην παραγωγή του ηλιακού ανέμου;" δήλωσε ο Drake.
Πηγαίνοντας με τη ροή
Από την άλλη πλευρά της συζήτησης είναι επιστήμονες που πιστεύουν ότι οι αναστροφές σχηματίζονται στον ηλιακό άνεμο, ως υποπροϊόν των ταραγμένων δυνάμεων που τον επηρεάζουν.
Ο Jonathan Squire, διαστημικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο Otago της Νέας Ζηλανδίας, είναι ένας από αυτούς. Χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις υπολογιστών, μελέτησε πώς οι μικρές διακυμάνσεις στον ηλιακό άνεμο εξελίχθηκαν με την πάροδο του χρόνου. "Αυτό που κάνουμε είναι να προσπαθήσουμε να ακολουθήσουμε ένα μικρό κομμάτι πλάσματος καθώς κινείται προς τα έξω", δήλωσε ο Squire.
Κάθε "πακέτο" ηλιακού ανέμου διαστέλλεται καθώς δραπετεύει από τον Ήλιο, φουσκώνοντας σαν μπαλόνι. Κύματα που κυματίζουν στον Ήλιο δημιουργούν μικροσκοπικές ρυτιδώσεις σε αυτό το πλάσμα, ρυτιδώσεις που αυξάνονται σταδιακά καθώς ο ηλιακός άνεμος απλώνεται.
"Ξεκινούν πρώτα ως δονήσεις, αλλά στη συνέχεια αυτό που βλέπουμε είναι ότι μεγαλώνουν ακόμη περισσότερο, και μετατρέπονται σε αναστροφές", δήλωσε ο Squire. "Γι' αυτό πιστεύουμε ότι είναι μια αρκετά συναρπαστική ιδέα - συνέβη από μόνη της στο μοντέλο." Η ομάδα δεν χρειάστηκε να ενσωματώσει εικασίες σχετικά με τη νέα φυσική στα μοντέλα της - οι αναστροφές εμφανίστηκαν βάσει της επαρκώς συμφωνημένης ηλιακής επιστήμης.
Το μοντέλο του Squire, που δημοσιεύθηκε στις 26 Φεβρουαρίου του 2020, υποδηλώνει ότι οι αναστροφές σχηματίζονται φυσιολογικά καθώς ο ηλιακός άνεμος επεκτείνεται στο διάστημα. Μέρη του ηλιακού ανέμου που επεκτείνονται πιο γρήγορα, προβλέπει, θα πρέπει επίσης να έχουν περισσότερες αναστροφές — μια πρόβλεψη που έχει ήδη δοκιμαστεί με το πιο πρόσφατο σύνολο δεδομένων από τη διαστημοσυσκευή Parker.
Άλλοι ερευνητές συμφωνούν ότι οι αναστροφές ξεκινούν στον ηλιακό άνεμο, αλλά υποψιάζονται ότι σχηματίζονται όταν γρήγορα και αργά ρεύματα ηλιακού ανέμου "τρίβονται" μεταξύ τους. Μια μελέτη τον Οκτώβριο του 2020, με επικεφαλής τον Dave Ruffolo στο Πανεπιστήμιο Mahidol στην Μπανγκόκ της Ταϊλάνδης, περιέγραψε την ιδέα αυτή.
Απεικόνιση του Parker Solar Probe το οποίο πετά μέσα από μια αναστροφή στον ηλιακό άνεμο. Εικόνα: NASA's Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab/Adriana Manrique Gutierrez.
Ο Bill Matthaeus, συν-συγγραφέας στο σχετικό paper και διαστημικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Delaware στο Newark, επισημαίνει τη διάτμηση στο όριο μεταξύ γρήγορων και αργών ρευμάτων. Αυτή η διάτμηση μεταξύ γρήγορου και αργού δημιουργεί χαρακτηριστικούς στροβιλισμούς που φαίνονται παντού στη φύση, όπως οι δίνες που σχηματίζονται καθώς το νερό του ποταμού ρέει γύρω από ένα βράχο. Τα μοντέλα τους υποδηλώνουν ότι αυτοί οι στροβιλισμοί τελικά μετατρέπονται σε αναστροφές, κάμπτοντας τις γραμμές μαγνητικού πεδίου πίσω στον σημείο από όπου ξεκίνησαν, πίσω στον εαυτό τους αν θέλετε.
Αλλά οι στροβιλισμοί αυτοί δεν σχηματίζονται αμέσως - ο ηλιακός άνεμος πρέπει να κινείται αρκετά γρήγορα προτού μπορέσει να λυγίσει τις κατά τα άλλα άκαμπτες γραμμές μαγνητικού πεδίου. Ο ηλιακός άνεμος φτάνει σε αυτήν την ταχύτητα περίπου 8,5 εκατομμύρια μίλια από τον Ήλιο. Η βασική πρόβλεψη του Mattheaus είναι ότι όταν το Parker πλησιάζει σημαντικά στον Ήλιο από αυτό το όριο- το οποίο πρέπει να συμβεί στο επόμενο κοντινό πέρασμα του, 6,5 εκατομμύρια μίλια από τον Ήλιο, στις 29 Απριλίου του 2021 - οι αναστροφές θα πρέπει να εξαφανιστούν.
"Εάν αυτή είναι η προέλευση, τότε καθώς το Parker κινείται στην κατώτερο ηλιακό στέμμα, αυτή η διάτμηση δεν μπορεί να συμβεί", δήλωσε ο Mattheaus. "Έτσι, οι αναστροφές που προκαλούνται από το φαινόμενο που περιγράφουμε πρέπει να φύγουν."
Μια πτυχή των αναστροφών που αυτά τα μοντέλα ηλιακού ανέμου δεν έχουν εξομοιώσει με επιτυχία είναι το γεγονός ότι τείνουν να είναι ισχυρότερες όταν περιστρέφονται σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση - την ίδια κατεύθυνση της περιστροφής του Ήλιου. Ωστόσο, και οι δύο προσομοιώσεις δημιουργήθηκαν με έναν Ήλιο που ήταν ακίνητος, και όχι περιστρεφόμενος, κάτι που μπορεί να κάνει τη διαφορά. Για αυτά τα μοντέλα, η ενσωμάτωση της πραγματικής περιστροφής του Ήλιου είναι το επόμενο βήμα.
Στριφογυρίζοντας στον άνεμο
Τέλος, ορισμένοι επιστήμονες πιστεύουν ότι οι αναστροφές προέρχονται και από τις δύο διαδικασίες, ξεκινώντας με την επανασύνδεση ή την κίνηση του σημείου (footpoint motion) στον Ήλιο, αλλά αναπτύσσονται στο τελικό τους σχήμα μόλις βγουν στον ηλιακό άνεμο. Ένα paper το οποίο δημοσιεύθηκε εχθές από τους Nathan Schwadron και David McComas, διαστημικούς φυσικούς στο Πανεπιστήμια New Hampshire και Princeton, αντίστοιχα, υιοθετεί αυτήν την προσέγγιση, υποστηρίζοντας ότι οι αναστροφές σχηματίζονται όταν γρήγοροι και αργοί ηλιακοί άνεμοι επανευθυγραμμίζονται στη ρίζα τους.
Μετά από αυτήν την ευθυγράμμιση, ο γρήγορος άνεμος καταλήγει «πίσω» από τον αργό άνεμο, στην ίδια γραμμή μαγνητικού πεδίου. Αυτό θα μπορούσε να συμβεί σε κάθε περίπτωση όπου συναντώνται αργός και γρήγορος άνεμος, αλλά κυρίως στα όρια των στεματικών οπών (coronal holes), όπου γεννιέται ο γρήγορος ηλιακός άνεμος. Καθώς οι στεματικές τρύπες μεταναστεύουν στον Ήλιο, σκαρφαλώνουν κάτω από ρεύματα αργού ηλιακού ανέμου. Το σημείο (footpoint) από το αργό ηλιακό άνεμο συνδέεται με μια πηγή γρήγορου ανέμου. Ένας ταχύς ηλιακός άνεμος επιδίδεται σε μια κούρσα ταχύτητας μετά από το αργότερο ρεύμα που βρίσκεται μπροστά του. Τελικά ο γρήγορος άνεμος προσπερνά τον πιο αργό άνεμο, αναστρέφοντας τη γραμμή του μαγνητικού πεδίου σχηματίζοντας μια αναστροφή.
Ο Schwadron πιστεύει ότι η κίνηση των στεματικών οπών και των πηγών ηλιακού ανέμου στον Ήλιο είναι επίσης ένα βασικό κομμάτι του αινίγματος, του παζλ αν θέλετε. Η επανασύνδεση στο μπροστινό άκρο των στεφανιαίων οπών, προτείνει, θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί οι αναστροφές τείνουν να να κινούνται "ζιγκ-ζαγκ" με τρόπο που να ευθυγραμμίζονται με την περιστροφή του Ήλιου.
"Το γεγονός ότι αυτές (οι αναστροφές) προσανατολίζονται με αυτόν τον συγκεκριμένο τρόπο μας λέει κάτι πολύ θεμελιώδες", δήλωσε ο Schwadron.
Αν και ξεκινά με τον Ήλιο, ο Schwadron και ο McComas πιστεύουν ότι αυτές οι επανασυνδεόμενες ροές γίνονται μόνο αναστροφές εντός του ηλιακού ανέμου, όπου οι γραμμές μαγνητικού πεδίου του Ήλιου είναι αρκετά εύκαμπτες ώστε να επιστρέφουν θα λέγαμε στον εαυτό τους.
Καθώς το Parker Solar Probe πηγαίνει όλο και πιο κοντά στον Ήλιο, οι επιστήμονες θα αναζητήσουν με ανυπομονησία ενδείξεις που θα υποστηρίξουν - ή θα καταρρίψουν - τις θεωρίες τους. "Υπάρχουν διαφορετικές ιδέες που περιφέρονται", δήλωσε ο Zank. "Τελικά κάτι θα εξελιχτεί."
Δείτε ενα ντοκιμαντέρ για τον Ήλιο από την ΕΡΤ
Πηγή: phys.org
https://phys.org/news/2021-03-parker-solar-probe-magnetic-puzzle.html