Τα τελευταία χρόνια, η ηλιακή φυσική τροφοδοτείται με ολοένα περισσότερα δεδομένα, χάρη στα νέα διαστημικά σκάφη που παρατηρούν ενεργά τον Ήλιο. Ανάμεσά τους, το Solar Orbiter κατέγραψε τυχαία ένα ιδιαίτερο φαινόμενο, γνωστό ως «switchback», επιτρέποντας στους επιστήμονες να εντοπίσουν για πρώτη φορά την προέλευσή του στο ηλιακό στέμμα.
Σε νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Nature Astronomy, ο ερευνητής Τζέσι Τ. Κόμπερν και οι συνεργάτες του περιγράφουν πώς αυτή η απροσδόκητη παρατήρηση οδήγησε στον εντοπισμό της περιοχής από την οποία ξεκίνησε το φαινόμενο.
Τα switchbacks αποτελούν σημαντικό κομμάτι της έρευνας για τον Ήλιο, καθώς συνδέονται με τον ηλιακό άνεμο, το υπερηχητικό ρεύμα φορτισμένων σωματιδίων που εκτοξεύεται συνεχώς από την ηλιακή επιφάνεια προς το Διάστημα. Οι παρατηρήσεις διαστημικών αποστολών έχουν δείξει ότι οι απότομες αναδιπλώσεις του ηλιακού μαγνητικού πεδίου επηρεάζουν τη ροή αυτών των σωματιδίων και, κατ’ επέκταση, την έκθεση ολόκληρου του Ηλιακού Συστήματος στον ηλιακό άνεμο.
Οι επιστήμονες γνωρίζουν εδώ και αρκετό καιρό την ύπαρξη των switchbacks. Το Parker Solar Probe της NASA έχει καταγράψει μεγάλο αριθμό τέτοιων φαινομένων. Ωστόσο, παρέμενε ανοιχτό το ερώτημα για το πού ακριβώς σχηματίζονται, καθώς η απάντηση θα μπορούσε να βοηθήσει στην καλύτερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο επηρεάζουν τον ηλιακό άνεμο.
Οι δύο βασικές θεωρίες υποστήριζαν ότι τα switchbacks είτε δημιουργούνται βαθιά στο Διάστημα, εξαιτίας των αναταράξεων μέσα στον ίδιο τον ηλιακό άνεμο, είτε σχηματίζονται στο ηλιακό στέμμα, την εξαιρετικά θερμή εξωτερική ατμόσφαιρα του Ήλιου.
Η τυχαία συνάντηση με ένα γιγάντιο switchback
Η ανακάλυψη ξεκίνησε στις 2 Μαρτίου 2022, όταν το Solar Orbiter κινούνταν στο Ηλιακό Σύστημα, σε απόσταση περίπου ίση με το μισό της απόστασης Γης και Ήλιου.
Τα μαγνητόμετρα και οι αισθητήρες σωματιδίων του διαστημικού σκάφους άρχισαν να καταγράφουν δεδομένα που έδειχναν ότι διέσχιζε ένα μεγάλο switchback. Οι αυξημένες μετρήσεις διήρκεσαν περίπου μιάμιση ώρα.
Το Solar Orbiter κινούνταν με ταχύτητα περίπου 30 έως 40 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο, ενώ το φαινόμενο περνούσε από το σκάφος με ταχύτητα περίπου 450 έως 460 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο. Με βάση αυτά τα στοιχεία, οι ερευνητές υπολόγισαν ότι η ακτινική έκταση του switchback έφτανε τα 2,75 εκατομμύρια χιλιόμετρα.
Για να γίνει αντιληπτό το μέγεθός του, η έκταση αυτή αντιστοιχεί περίπου σε έξι φορές την απόσταση Γης και Σελήνης, αλλά και σε 3,5 φορές την ακτίνα του ίδιου του Ήλιου.
Κατά τη διάρκεια αυτής της περίπου μιάμισης ώρας, το Solar Orbiter συνέλεξε δεδομένα μέσω του αισθητήρα βαρέων ιόντων. Οι ερευνητές παρατήρησαν αύξηση των ιόντων οξυγόνου και άνθρακα που είχαν χάσει ηλεκτρόνια, καθώς και μείωση των επιπέδων ηλίου σε σύγκριση με τις αναμενόμενες τιμές.
Στα κατώτερα και ιδιαίτερα θερμά στρώματα της ηλιακής ατμόσφαιρας, τα βαριά ιόντα χάνουν ηλεκτρόνια. Όταν απομακρύνονται προς το Διάστημα, η θερμοκρασία μειώνεται και τα ιόντα δεν χάνουν πλέον ηλεκτρόνια, χωρίς όμως να τα ανακτούν. Με αυτόν τον τρόπο διατηρούν ένα χαρακτηριστικό αποτύπωμα των συνθηκών στις οποίες βρισκόταν το πλάσμα όταν σχηματίστηκε.
Σύμφωνα με τα δεδομένα του Solar Orbiter, το πλάσμα που εντοπίστηκε μέσα στο switchback είχε εκτεθεί σε θερμοκρασίες άνω του ενός εκατομμυρίου βαθμών Κελσίου. Το στοιχείο αυτό υποδείκνυε ότι είχε σχηματιστεί πιθανότατα στο εξαιρετικά θερμό ηλιακό στέμμα.
Για να επιβεβαιώσουν την εκτίμησή τους, οι επιστήμονες διασταύρωσαν τα δεδομένα με παρατηρήσεις του Solar Dynamics Observatory της NASA, οι οποίες είχαν πραγματοποιηθεί την ίδια χρονική περίοδο με τη διέλευση του Solar Orbiter από το switchback. Μέσω αυτής της σύγκρισης, κατάφεραν να συνδέσουν το πλάσμα με έναν κλειστό μαγνητικό βρόχο κοντά σε μια περιοχή του Ήλιου που ονομάζεται στεμματική οπή.
Ο ρόλος των στεμματικών οπών και των μαγνητικών βρόχων
Οι στεμματικές οπές είναι πιο σκοτεινές και ψυχρότερες περιοχές του ηλιακού στέμματος, όπου οι μαγνητικές γραμμές εκτείνονται προς τον διαπλανητικό χώρο. Διαφέρουν από τους στεμματικούς βρόχους, οι οποίοι αποτελούνται από τόξα θερμού πλάσματος με τα δύο άκρα τους αγκυρωμένα στην ηλιακή επιφάνεια.
Καθώς τα δεδομένα έδειξαν ότι το πλάσμα είχε σχηματιστεί μέσα σε έναν κλειστό μαγνητικό βρόχο, οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι το switchback δημιουργήθηκε μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται «επανασύνδεση εναλλαγής» (interchange reconnection).
Η διαδικασία αυτή συμβαίνει όταν ένα τμήμα ενός μαγνητικού βρόχου συναντά μια ανοιχτή μαγνητική γραμμή. Η συνάντηση προκαλεί την απότομη αναδιοργάνωση του μαγνητικού πεδίου: η γραμμή διακόπτεται προσωρινά και στη συνέχεια διαμορφώνεται ξανά σε διαφορετική θέση.
Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, μέρος των υπέρθερμων αερίων που αποτελούν τον βρόχο εκτοξεύεται με μεγάλη ταχύτητα στον διαπλανητικό χώρο. Η εκτόξευση αυτή δημιουργεί το χαρακτηριστικό switchback, μέσα από το οποίο πέρασε το Solar Orbiter.
Τα σωματίδια αποκάλυψαν μια επιπλέον λεπτομέρεια
Η εξήγηση, ωστόσο, δεν ήταν τόσο απλή όσο αρχικά φαινόταν. Η ερευνητική ομάδα εντόπισε μια ασυμφωνία στην κίνηση των σωματιδίων μέσα στο switchback.
Εάν τα σωματίδια είχαν απλώς εκτοξευθεί από έναν μαγνητικό βρόχο που διακόπηκε, θα αναμενόταν να κινούνται σε σχετικά ευθεία τροχιά. Αντίθετα, τα δεδομένα έδειξαν ότι η κίνησή τους φαίνεται να συνδέεται με τις μαγνητικές γραμμές, δημιουργώντας ένα μοτίβο που θυμίζει κύμα Άλφβεν.
Τα κύματα Άλφβεν είναι μαγνητικά κύματα που διαδίδονται κατά μήκος των γραμμών ενός μαγνητικού πεδίου. Η συμπεριφορά τους θυμίζει τον τρόπο με τον οποίο ένα μηχανικό κύμα διαδίδεται κατά μήκος μιας χορδής κιθάρας.
Η παρατήρηση αυτή δείχνει ότι η δημιουργία του switchback δεν οφείλεται απλώς στην εκτόξευση υλικού από έναν μαγνητικό βρόχο που διαλύθηκε. Ακόμη και μετά την εκτόξευσή του στο Διάστημα, το φαινόμενο επηρεάζεται από τη δυναμική των κυμάτων που αναπτύσσονται στο ίδιο το πλάσμα.
Η κατανόηση αυτής της σύνθετης συμπεριφοράς αποτελεί σημαντικό βήμα για την ηλιοφυσική, καθώς βοηθά τους επιστήμονες να συνδέσουν τον μηχανισμό δημιουργίας των switchbacks με την εξέλιξή τους στον διαπλανητικό χώρο.
Παρά την πρόοδο που έχει σημειωθεί, πολλά ερωτήματα για το ηλιακό στέμμα παραμένουν αναπάντητα. Ωστόσο, τα δεδομένα και οι νέες ανακαλύψεις από τα σύγχρονα διαστημικά όργανα προσφέρουν πλέον στους επιστήμονες τη δυνατότητα να μελετούν με μεγαλύτερη ακρίβεια τις διεργασίες που διαμορφώνουν τη συμπεριφορά του Ήλιου και επηρεάζουν ολόκληρο το Ηλιακό Σύστημα.
ESA – Solar Orbiter tracks origin of mysterious magnetic switchbacks
J. T. Coburn et al – On the coronal origin of magnetic switchbacks in the solar wind
