ESA:n Solar Orbiter -luotain on havainnut ratkaisevan tärkeitä tietoja vastatakseen vuosikymmenien pituiseen kysymykseen siitä, mistä aurinkotuulta lämmittävä ja kiihdyttävä energia on peräisin. Tutkijat yhdistivät tutkimuksessaan myös NASA: n Parker Solar Probe -luotaimen kokoamat tiedot aurinkotuulesta ja päätyivät tulokseen, että tarvittava energia tulee Auringon magneettikentän suurista vaihteluista.
Havainnekuva Aurinkoa kiertävistä Parker Solar Probe ja Solar Orbiter -luotaimista. Kuva ESA. |
Aurinkotuuli[1] on jatkuva varautuneiden hiukkasten virta, joka poistuu Auringon kaasukehästä (koronasta) ja virtaa Maan ohi ja jatkaa matkaa aina Aurinkokuntamme ulkorajoille asti. Kummallista kyllä, aurinkotuuli poistuu Auringon koronasta pienemmillä nopeuksilla (noin 300 km/s), joten jokin nopeuttaa sitä liikkuessaan kauemmas (Maan kohdalla nopeus on usein noin 500 km/s). Miljoona-asteinen aurinkotuuli luonnollisesti jäähtyy (adiapaattinen kaasu), kun se laajenee suuremmaksi tilavuudeksi ja muuttuu tiheydeltään harvemmaksi. Kummallisinta on, että jäähtyminen tapahtuu hitaammin kuin se pitäisi laajenemisesta johtuen. Ainoa selitys on, että aurinkotuuli saa lisäenergiaa matkalla koronasta esimerkiksi Maan radalle.
Joten mistä tarvittava energia on peräisin aurinkotuulen
nopeimpien osien kiihdyttämiseen ja lämmittämiseen? ESA:
n Solar Orbiterin[2] ja NASA: n Parker Solar Proben[3]
tiedot ovat antaneet vakuuttavia todisteita siitä, että vastaus on Auringon
magneettikentän laajamittaiset värähtelyt, jotka tunnetaan nimellä Alfvénin aallot.
“Ennen tätä työtä Alfvénin aaltoja oli ehdotettu
potentiaaliseksi energianlähteeksi, mutta meillä ei ollut lopullista todistusta”
sanoo Yeimy Rivera (Center for
Astrophysics, Harvard & Smithsonian, Massachusetts) tutkimusraportin[4]
ensimmäinen kirjoittaja.
Tavallisessa kaasussa, kuten Maan ilmakehässä, ainoat
välittyvät aallot ovat ääniaaltoja. Kuumennettaessa kaasua poikkeuksellisiin
lämpötiloihin (kuten Auringon kaasukehässä), se muuttuu plasmaksi ja reagoi
magneettikenttiin. Tämä mahdollistaa Alfvénin aaltojen muodostumisen
magneettikenttään. Nämä aallot varastoivat energiaa ja voivat tehokkaasti
kuljettaa sen plasman läpi.
Normaali kaasussa energia varastoituu tiheyden, lämpötilan
ja nopeuden muodossa. Plasmassa näiden lisäksi magneettikenttä varastoi myös
energiaa. Sekä Solar Orbiter että Parker Solar Probe sisältävät tarvittavat
instrumentit plasman ominaisuuksien mittaamiseksi, mukaan lukien sen
magneettikenttä.
Vaikka kaksi avaruusalusta toimivat eri etäisyyksillä
Auringosta, ja hyvin erilaisilla kiertoradoilla, helmikuussa 2022 avaruusalus
sattuivat havaitsemaan samaa aurinkotuulen virtausta.
Parker, joka toimi 13,3 Auringon säteen (noin 9 miljoonaa
km) etäisyydestä Auringosta aivan koronan ulkoreunoilla, läpäisi virtauksen
ensin. Solar Orbiter, joka toimi 128 auringon säteellä (89 miljoonaa km), läpäisi
saman virtauksen pari vuorokautta myöhemmin. “Tämä työ oli mahdollista vain
siksi, että kaksi avaruusalusta, jotka ottivat näytteitä samasta aurinkotuulen
virrasta sen matkan eri vaiheissa Auringosta, oli hyvin erityinen linjaus”,
sanoo Yeimy.
Hyödyntäen täysin tätä harvinaista kohdistusta, ryhmä
vertasi saman plasmavirran mittauksia kahdessa eri paikassa. He muunsivat
mittaukset ensin neljäksi keskeiseksi energiamääräksi, jotka sisälsivät
magneettikentässä varastoidun energian mittauksen, jota kutsutaan
aaltoenergiavuoksi.
Koska energiaa ei voida luoda eikä tuhota, vain muuntaa
muodosta toiseen, tiimi vertasi lukemia Parkerista Solar Orbiter havaitsemiin
tietoihin. He tekivät tämän vertailun ottaen huomioon magneettisen energian ja
ilman sitä.
“Huomasimme, että jos emme sisällyttäneet laskelmiin
Parkerin aaltoenergiaa, tulokset eivät vastanneet sitä, kuinka paljon energiaa
meillä on Solar Orbiterissa”, sanoo tutkija Samuel Badman, (Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian, Massachusetts).
Lähellä Aurinkoa, jossa Parker mittasi virtausta, noin 10 %
kokonaisenergiasta oli magneettikentässä. Solar Orbiterilla tämä luku oli
laskenut vain 1 %:iin, mutta plasma oli kiihtynyt ja jäähtynyt odotettua
hitaammin.
Numeroita vertaillen ryhmä päätteli, että menetetty
magneettinen energia oli kiihdyttämässä hiukkasten nopeutta ja hidastanut
plasman jäähtymistä.
Tiedot osoittavat magneettikentän kääntyvän takaisin päin. Näitä kutsutaan englanniksi "patches of switchbacks" -termillä. Vakiintunutta suomenkielistä käännöstä ei tietääkseni ole, mutta sen voisi suomentaa paluukäännökseksi tai -mutkaksi. Mutkat ovat suuria taipumia Auringon magneettikentässä ja ne ovat esimerkkejä Alfvénin aalloista. Niitä on nähty 1970-luvulta lähtien (luotaimilla), mutta niitä on havaittu useammin, kun Parker Solar Probe oli ensimmäinen luotain, joka lensi Auringon koronan läpi vuonna 2021 tehden runsaasti havaintoja niistä.
Tämä uusi työ vahvistaa, että nämä paluumutkat sisältävät
tarpeeksi energiaa, jotta ne voivat olla vastuussa nopean aurinkotuulen
kiihtyvyyden ja lämmityksen puuttuvasta osasta.
“Tämä uusi työ kokoaa asiantuntevasti joitain suuria
paloja aurinkopulmasta. Solar Orbiterin, Parker Solar Proben ja muiden
tehtävien keräämien tietojen yhdistelmä osoittaa meille, että erilaiset
aurinkoilmiöt todella toimivat yhdessä tämän poikkeuksellisen magneettisen
ympäristön rakentamiseksi”, sanoo Daniel Müller (ESA Project Scientist for Solar Orbiter).
”Eikä se kerro meille vain Aurinkokunnastamme. Aurinkomme
on maailmankaikkeuden ainoa tähti, jossa voimme mitata sen aurinkotuulen. Joten
se, mitä opimme Auringostamme, pätee mahdollisesti ainakin muihin Auringon
tyyppisiin tähtiin ja ehkä muihin tähtiin, joilla on tähtituulia”, sanoo
Samuel.
Tiimi pyrkii parhaillaan laajentamaan analyysiään
aurinkotuulen hitaampiin muotoihin nähdäkseen, onko Auringon magneettikentän
energialla merkitystä myös niiden kiihtymisessä ja lämmityksessä.
Viittaukset
[1] Auringon korona
on aurinkotuulen lähde. Aurinkotuuli on jatkuva varautuneiden hiukkasten
virtaus, joka virtaa ulospäin Auringosta ja kulkee läpi koko aurinkokunnan.
Koronan avoimet magneettikenttälinjat (Parkkerin spiraalit) tarjoavat väylän,
jonka kautta nämä hiukkaset pääsevät pakenemaan avaruuteen. Aurinkotuuli
vaikuttaa aurinkokunnan magneettisiin kenttiin, erityisesti Maan
magnetosfääriin, ja se voi aiheuttaa avaruussään ilmiöitä, kuten
geomagneettisia myrskyjä.
[2] ESA:n Solar Orbiter lähetettiin Aurinkoa kiertävälle
radalle 10.2.2020. Se on suunniteltu tekemään yksityiskohtaisia mittauksia
sisemmästä heliosfääristä ja alkavasta aurinkotuulesta. Luotain tekee myös havaintoja
Auringon napa-alueista, joita on vaikea tehdä Maasta. Nämä havainnot ovat
tärkeitä tutkittaessa, miten Aurinko luo ja hallitsee heliosfääriään.
SolO tekee havaintoja Auringosta eksentriseltä
kiertoradalta, joka liikkuu niinkin lähellä kuin 60 auringon säteet (RS)tai
0,284 au. Tehtävän aikana kiertoradan inklinaatio nostetaan noin 24°:een.
[3] NASAn Parker Solar Probe lähetettiin Aurinkoa kiertävälle
radalle 12.8.2018 tehtävänään tehdä havaintoja ulkokoronasta ja Auringosta.
Lähimmillään Aurinkoa sen rata on vain 6,9 miljoona km etäisyydellä. Luotaimen havaintolaitteet
on sijoitettu suojakilven taakse, jotta Auringon voimakas lämpösäteily ei
tuhoaisin niitä.
[4] Science: In situ observations of large-amplitude Alfvén
waves heating and accelerating the solar wind, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk6953#con1
(maksumuuri).