Aurinkotuuli lämpenee Alfvénin aalloista

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.

Kaavio aurinkotuulesta ja luotaimien sijoittumista eri etäisyyksille havaintojen aikana Kaaviossa on esitetty myös paluumutkat (patches of switchbacks), jotka ovat Alfvénin aaltoja ja kiihdyttävät aurinkotuulen hiukkaset suurempiin nopeuksiin ja lämmittävät sitä. Klikkaa kuvaa suurentaaksesi sen! Kuva ESA.

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 (R_S)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).