Kozmické zarovnanie a niekoľko cvičení kozmickej lode poskytli prelomové meranie, ktoré pomáha vyriešiť 65-ročnú kozmickú záhadu, prečo sa slnečná atmosféra otepľuje.

Atmosféra slnka sa nazýva koróna. Pozostáva z elektricky nabitého plynu známeho ako plazma Jeho teplota je asi milión stupňov Celzia.

Jeho teplota je vždy záhadou, pretože povrchová teplota Slnka je len asi 6000 stupňov Celzia. Koróna by mala byť chladnejšia ako povrch, pretože energia Slnka pochádza z jadrovej pece v jej jadre a veci sú prirodzene chladnejšie, čím ďalej od zdroja tepla. Koróna je však viac ako 150-krát teplejšia ako povrch.

Musí existovať iný spôsob prenosu energie do plazmy, ale aký?

Teórie a výzvy vyšetrovania

Dlho sa predpokladalo, že turbulencie v slnečnej atmosfére by mohli viesť k výraznému zahrievaniu plazmy v koróne. Ale keď príde na skúmanie tohto javu, solárni fyzici čelia praktickému problému: Nie je možné zhromaždiť všetky údaje, ktoré potrebujú, len s jednou kozmickou loďou.

Existujú dva spôsoby, ako preskúmať Slnko: diaľkový prieskum Zeme a merania in situ. Pri diaľkovom prieskume je kozmická loď umiestnená v určitej vzdialenosti a kamery sa používajú na sledovanie slnka a jeho atmosféry na rôznych vlnových dĺžkach. Pri meraniach in situ kozmická loď preletí oblasťou, ktorú chce preskúmať, a vykoná merania častíc a magnetických polí v tejto časti vesmíru.

Oba prístupy majú svoje výhody. Diaľkové snímanie zobrazuje výsledky vo veľkom meradle, ale nie podrobnosti o procesoch vyskytujúcich sa v plazme. Medzitým merania in situ poskytujú veľmi špecifické informácie o procesoch v malom meradle v plazme, ale neukazujú, ako to ovplyvňuje veľký rozsah.

Dvojité vyšetrovanie v kozmickej lodi

Na získanie úplného obrazu sú potrebné dve kozmické lode. A presne to majú heliofyzici v súčasnosti v podobe kozmickej lode Solar Orbiter, ktorú pilotuje Európska vesmírna agentúra a NASA Parker Solar Probe. Solar Orbiter je navrhnutý tak, aby sa dostal čo najbližšie k Slnku a stále vykonával diaľkové snímanie, ako aj merania in situ. Sonda Parker Solar Probe do značnej miery ignoruje diaľkové snímanie samotného Slnka, aby sa priblížila a vykonala merania in situ.

Aby sa však plne využil ich komplementárny prístup, musí byť Parker Solar Probe v zornom poli jedného z nástrojov Solar Orbiter. Týmto spôsobom Solar Orbiter dokázal zaznamenať rozsiahle dôsledky toho, čo Parker Solar Probe merala in situ.

Solar Orbiter ESA je jednou z dvoch integrovaných kozmických lodí, ktoré študujú Slnko na blízko: pripája sa k NASA Parker Solar Probe, ktorá sa už podieľala na jej misii. Zdroj: Solar Orbiter: ESA/ATG medialab; Sonda Parker Solar: NASA/Johns Hopkins APL

Astrofyzikálna koordinácia

Daniele Telloni, výskumník z Talianskeho národného inštitútu astrofyziky (INAF) na Astrofyzikálnom observatóriu v Turíne, je súčasťou tímu, ktorý stojí za prístrojom Metis na Solar Orbiter. Metis je koronograf, ktorý blokuje svetlo z povrchu Slnka a sníma korónu. Je to perfektný nástroj na meranie vo veľkom meradle, takže Daniele začal hľadať časy, kedy by sa Parker Solar Probe zoradila.

Zistilo sa, že 1. júna 2022 budú obe kozmické lode v správnej orbitálnej konfigurácii – približne. Solar Orbiter sa bude v podstate pozerať na Slnko a Parker Solar Probe bude len bokom, dramaticky blízko, ale mimo zorného poľa prístroja METS.

Keď sa Daniele pozrel na problém, uvedomil si, že na zažiarenie svetla na Parker Solar Orbiter by stačilo malé cvičenie so Solar Orbiter: 45-stupňové otočenie a následné nasmerovanie mierne preč od Slnka.

Ale keď je každý manéver vesmírnej misie vopred starostlivo naplánovaný a keď sú samotné kozmické lode navrhnuté tak, aby ukazovali iba veľmi špecifickými smermi, najmä keď sa vyrovnávajú s desivým teplom Slnka, nebolo zrejmé, že operačný tím kozmickej lode povolí takýto manéver. . odchýlka. Akonáhle však mali všetci jasno o potenciálnom vedeckom návrate, rozhodnutie bolo jasné „áno“.

Misia Solar Orbiter ESA sa stretne so Slnkom z orbitálnej dráhy Merkúra pri jeho najbližšom priblížení. Zdroj: ESA/ATG medialab

Hack poznámky

Pokračovalo natáčanie a ofsetové riadenie; Sonda Parker Solar Probe vstúpila do zorného poľa a sonda spolu vytvorila vôbec prvé simultánne merania zloženia slnečnej koróny a mikrofyzikálnych vlastností plazmy vo veľkom meradle.

„Táto práca je výsledkom príspevkov mnohých ľudí,“ hovorí Daniele, ktorý viedol analýzu súborov údajov. Spoločnou prácou boli schopní urobiť prvý spoločný pozorovací a in situ odhad rýchlosti koronálneho ohrevu.

„Možnosť použiť Solar Orbiter aj Parker Solar Probe otvorila v tomto výskume úplne novú dimenziu,“ hovorí Gary Zank z University of Alabama v Huntsville v USA a spoluautor výsledného článku.

Porovnaním novo nameranej rýchlosti s teoretickými predpoveďami slnečných fyzikov v priebehu rokov Daniel ukázal, že solárni fyzici mali zhruba pravdu v identifikácii turbulencie ako prostriedku prenosu energie.

Umelcov koncept kozmickej lode Parker Solar Probe približujúcej sa k Slnku. Obrazový kredit: NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben

Špecifický spôsob, akým to porucha robí, sa nelíši od toho, čo sa stane, keď si zamiešate rannú šálku kávy. Stimuláciou náhodných pohybov tekutiny, či už plynnej alebo kvapalnej, sa energia prenáša do stále menších mierok, čo vyvrcholí premenou energie na teplo. V prípade slnečnej koróny je kvapalina tiež magnetizovaná a tak je k dispozícii aj uložená magnetická energia na premenu na teplo.

Takýto prenos magnetickej energie a kinetickej energie z väčších do menších mierok je podstatou turbulencie. Na najmenších mierkach umožňuje, aby fluktuácie konečne interagovali s jednotlivými časticami, väčšinou protónmi, a zahriali ich.

Závery a dôsledky

Na to, aby sme mohli povedať, že problém solárneho ohrevu je vyriešený, je potrebné ešte veľa práce, no teraz, vďaka Danielovej práci, solárni fyzici dokázali urobiť prvé meranie tohto procesu.

„Toto je vedecké prvenstvo. Táto práca predstavuje dôležitý krok vpred pri riešení problému koronálneho zahrievania,“ hovorí Daniel Müller, vedec projektu.

Solar Orbiter je vesmírna misia medzinárodnej spolupráce medzi ESA a ESA NASAktorú spravuje Európska vesmírna agentúra.