Ήλιος: Εκατομμύρια μικροσκοπικοί στρόβιλοι ίσως λύνουν ένα μεγάλο μυστήριο

Εκατομμύρια μικροσκοπικοί στρόβιλοι πλάσματος στην επιφάνεια του Ήλιου ίσως δίνουν την απάντηση σε ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της ηλιακής φυσικής: γιατί η εξωτερική του ατμόσφαιρα αναπτύσσει θερμοκρασίες εκατομμυρίων βαθμών, ενώ η ορατή επιφάνειά του παραμένει πολύ πιο ψυχρή.

Οι επιστήμονες προσπαθούν εδώ και δεκαετίες να εξηγήσουν αυτή την εντυπωσιακή διαφορά θερμοκρασίας.

Μια νέα μελέτη προτείνει ότι μικροσκοπικές περιστρεφόμενες δομές, με διάμετρο μόλις μερικών δεκάδων χιλιομέτρων, ενδέχεται να μεταφέρουν ενέργεια προς το ηλιακό στέμμα, συμβάλλοντας στη θέρμανσή του.

Η έρευνα πραγματοποιήθηκε από την Καταρίινα Νίκιρι, ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο Αεροναυτικής Εμπρί-Ριντλ, και δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό The Astrophysical Journal Letters.

Το μυστήριο της θερμοκρασίας του Ήλιου

Η ορατή επιφάνεια του Ήλιου, γνωστή ως φωτόσφαιρα, έχει θερμοκρασία περίπου 5.500 βαθμών Κελσίου. Αντίθετα, το εξωτερικό στρώμα της ατμόσφαιράς του, το ηλιακό στέμμα, μπορεί να ξεπεράσει το ένα εκατομμύριο βαθμούς Κελσίου.

Η τεράστια αυτή διαφορά αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα αναπάντητα ερωτήματα της ηλιακής φυσικής, καθώς η περιοχή που βρίσκεται πιο μακριά από το εσωτερικό του Ήλιου εμφανίζεται πολύ θερμότερη από την επιφάνειά του.

Για να εξετάσουν το φαινόμενο, οι επιστήμονες αξιοποίησαν παρατηρήσεις από το ηλιακό τηλεσκόπιο Ντάνιελ Κ. Ινούι, το οποίο βρίσκεται στο όρος Χαλεακάλα της Χαβάης.

Οι εικόνες εξαιρετικά υψηλής ανάλυσης αποκάλυψαν μικροσκοπικές περιστρεφόμενες δομές στην ηλιακή επιφάνεια, ορισμένες από τις οποίες έχουν διάμετρο μόλις μερικών δεκάδων χιλιομέτρων.

Παρότι είναι σχεδόν ανεπαίσθητες σε σύγκριση με το μέγεθος του Ήλιου, οι συγκεκριμένες δίνες ενδέχεται να έχουν σημαντική ενεργειακή συμβολή.

Πώς λειτουργούν οι μικροσκοπικοί στρόβιλοι

Οι δομές αυτές συνδέονται με τις αστάθειες Κέλβιν-Χέλμχολτς, ένα φυσικό φαινόμενο που εμφανίζεται όταν δύο γειτονικές περιοχές ενός ρευστού ή πλάσματος κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες.

Ανάλογοι σχηματισμοί παρατηρούνται στη Γη, όπως σε ορισμένα σύννεφα και θαλάσσια ρεύματα, αλλά και στην ατμόσφαιρα του Δία.

Στον Ήλιο, οι αστάθειες αυτές μπορούν να εμφανιστούν όταν ταχύτατα κινούμενο πλάσμα αλληλεπιδρά με πιο αργό, μαγνητισμένο πλάσμα. Η αλληλεπίδραση δημιουργεί περιστρεφόμενες δίνες, οι οποίες περιέχουν σημαντική κινητική ενέργεια.

Σύμφωνα με τους υπολογισμούς της Νίκιρι, κάθε στρόβιλος μπορεί να περιέχει περίπου δύο σεπτίλιον εργ μηχανικής ενέργειας, ποσότητα που αντιστοιχεί σε περίπου 200 τρισεκατομμύρια τζάουλ.

Εκατομμύρια τέτοιες δομές ενδέχεται να δημιουργούνται και να εξαφανίζονται μέσα σε λίγα λεπτά, προσφέροντας μια συνεχή πηγή ενέργειας στην ηλιακή ατμόσφαιρα.

Ο μηχανισμός που μπορεί να θερμαίνει το ηλιακό στέμμα

Το βασικό στοιχείο της νέας θεωρίας είναι η μαγνητική επανασύνδεση. Πρόκειται για μια διαδικασία κατά την οποία οι γραμμές των μαγνητικών πεδίων αναδιατάσσονται απότομα, απελευθερώνοντας την ενέργεια που έχουν αποθηκεύσει.

Καθώς οι στρόβιλοι περιστρέφονται, παραμορφώνουν και συμπιέζουν τα γύρω μαγνητικά πεδία. Αυτό μπορεί να προκαλέσει τη δημιουργία εξαιρετικά λεπτών περιοχών ηλεκτρικού ρεύματος, οι οποίες υπό κατάλληλες συνθήκες γίνονται ασταθείς.

Όταν συμβαίνει μαγνητική επανασύνδεση, απελευθερώνεται ενέργεια με τη μορφή θερμότητας και ταχέως κινούμενου πλάσματος. Η διαδικασία αυτή θα μπορούσε να συμβάλλει στη θέρμανση των ανώτερων στρωμάτων της ηλιακής ατμόσφαιρας.

Σημαντικό ρόλο παίζει και η πυκνότητα του πλάσματος. Κοντά στην επιφάνεια του Ήλιου, η ενέργεια κατανέμεται σε πολύ μεγαλύτερο αριθμό σωματιδίων. Αντίθετα, στο ηλιακό στέμμα η πυκνότητα είναι πολύ μικρότερη, με αποτέλεσμα η ίδια ποσότητα ενέργειας να μπορεί να προκαλέσει πολύ μεγαλύτερη αύξηση της θερμοκρασίας.

Αρκεί ένα μικρό μέρος της ενέργειας των στροβίλων

Ένα από τα πιο ενδιαφέροντα στοιχεία της μελέτης αφορά την ποσότητα ενέργειας που απαιτείται να μεταφερθεί στο ηλιακό στέμμα.

Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις της ερευνήτριας, αρκεί περίπου το 5% έως 8% της μηχανικής ενέργειας των στροβίλων να φτάσει στα ανώτερα στρώματα της ηλιακής ατμόσφαιρας και να μετατραπεί σε θερμότητα, ώστε να αντισταθμιστούν οι ενεργειακές απώλειες του στέμματος.

Ακόμη και στις στεμματικές οπές, όπου οι μαγνητικές γραμμές είναι ανοιχτές και η πυκνότητα του πλάσματος μικρότερη, το απαιτούμενο ποσοστό εκτιμάται ότι μπορεί να είναι περίπου 21% ή χαμηλότερο.

Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι οι μικροσκοπικοί στρόβιλοι θα μπορούσαν να διαθέτουν αρκετή ενέργεια για να συμβάλουν ουσιαστικά στο φαινόμενο. Ωστόσο, οι επιστήμονες πρέπει ακόμη να επιβεβαιώσουν πόση από αυτήν μεταφέρεται πραγματικά προς το στέμμα.

Γιατί ενδιαφέρει και τη Γη

Η εξήγηση του τρόπου με τον οποίο θερμαίνεται το ηλιακό στέμμα έχει σημασία και για την κατανόηση της ηλιακής δραστηριότητας.

Από το στέμμα προέρχεται ο ηλιακός άνεμος, ένα συνεχές ρεύμα φορτισμένων σωματιδίων που ταξιδεύει σε ολόκληρο το ηλιακό σύστημα. Παράλληλα, οι μαγνητικές διεργασίες στην ατμόσφαιρα του Ήλιου συνδέονται με εκρήξεις και εκτινάξεις ηλιακής μάζας, οι οποίες μπορούν να επηρεάσουν δορυφόρους, συστήματα επικοινωνιών και δίκτυα ηλεκτροδότησης στη Γη.

Η νέα έρευνα προσφέρει μια πιθανή εξήγηση για το πώς μικροσκοπικές δομές μπορούν να τροφοδοτούν διεργασίες τεράστιας κλίμακας. Δεν αποτελεί, ωστόσο, οριστική απόδειξη ότι οι στρόβιλοι λύνουν πλήρως το μυστήριο της θέρμανσης του ηλιακού στέμματος.

Οι επόμενες παρατηρήσεις από το τηλεσκόπιο Ντάνιελ Κ. Ινούι και άλλες διαστημικές αποστολές αναμένεται να βοηθήσουν τους επιστήμονες να διαπιστώσουν εάν ο συγκεκριμένος μηχανισμός λειτουργεί όπως προβλέπει η μελέτη.

Έτσι, εκατομμύρια μικροσκοπικές δίνες πλάσματος ενδέχεται να αποτελούν ένα από τα σημαντικότερα κομμάτια του παζλ για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ο Ήλιος θερμαίνει την εξωτερική του ατμόσφαιρα.