Międzynarodowy zespół badawczy po raz pierwszy bezpośrednio zaobserwował małoskalowe skrętne fale Alfvéna w koronie Słońca. Odkrycie opublikowane w Nature Astronomy może stanowić brakujący element układanki odpowiedzialny za transport energii do zewnętrznych warstw atmosfery słonecznej. Choć istnienie takich fal przewidywano już w latach 40. ubiegłego wieku, dopiero najnowsze obserwacje dostarczyły namacalnych dowodów.
Czym są fale Alfvéna?
Fale Alfvéna to specyficzne zaburzenia magnetyczne rozchodzące się w naładowanych cząstkach plazmy. Ich nazwa pochodzi od szwedzkiego fizyka Hannesa Alfvéna, który teoretycznie opisał je w 1942 r., co przyniosło mu później Nagrodę Nobla. Wcześniejsze obserwacje koncentrowały się na większych, izolowanych wersjach tych fal, typowo związanych z gwałtownymi rozbłyskami słonecznymi. Obecne badania wskazują jednak, że znacznie mniejsze fale skrętne występują w koronie nieprzerwanie, stanowiąc potencjalnie kluczowy mechanizm dostarczania energii.
Czytaj też: 18 godzin na uratowanie świata. ESA przygotowuje się na powtórkę zdarzenia Carringtona
Różnica między dotychczas obserwowanymi falami a nowo odkrytymi falami skrętnymi ma fundamentalne znaczenie. Podczas gdy pierwsze powodują kołysanie całych struktur magnetycznych, co można zaobserwować na filmach przedstawiających Słońce, fale skrętne wywołują ruch obrotowy, który nieustannie skręca linie pola magnetycznego w przeciwnych kierunkach. Ten subtelny efekt był dotychczas niemal niewidoczny, wymagając zaawansowanej analizy spektroskopowej mierzącej przesunięcia dopplerowskie plazmy.
Przełom w obserwacjach stał się możliwy dzięki Daniel K. Inouye Solar Telescope, najpotężniejszemu teleskopowi słonecznemu na świecie, znajdującemu się na Hawajach. Jego czterometrowe lustro zapewnia czterokrotnie większą zdolność zbierania światła niż poprzednie instrumenty, co przekłada się na bezprecedensową rozdzielczość obrazowania. Amerykańska Narodowa Fundacja Nauki, operator teleskopu, udostępniła narzędzie, które wreszcie pozwoliło dostrzec najdrobniejsze szczegóły w koronie.
Kluczową rolę w badaniach odegrał Cryogenic Near Infrared Spectropolarimeter (Cryo-NIRSP). Podczas obserwacji przeprowadzonych w październiku 2023 r. instrument ten zapewnił rozdzielczość przestrzenną ok. 87 km na powierzchni Słońca przy częstotliwości rejestracji jednej klatki na sekundę. Połączenie wysokiej rozdzielczości przestrzennej, czasowej i spektralnej umożliwiło wykrycie subtelnych ruchów skrętnych, które wcześniej pozostawały niewidoczne.
Professor Richard Morton z Northumbria University zmierzył się z niełatwym zadaniem oddzielenia ruchów skrętnych od dominujących w koronie ruchów kołyszących. Opracował zupełnie nowe techniki analityczne, które pozwoliły wyizolować poszczególne typy ruchów falowych z zebranych danych. Dopiero po odfiltrowaniu efektu kołysania udało się wyodrębnić sygnał odpowiadający skręcaniu.
Wyniki pomiarów dostarczyły konkretnych wartości potwierdzających teoretyczne przewidywania. Zmierzona średnia amplituda prędkości dla skrętnych trybów Alfvéna wyniosła 0,321 km/s w linii wzroku, jednak po uwzględnieniu uśredniania wzdłuż tej linii rzeczywiste amplitudy sięgają około 19,5 km/s. Dla porównania, tzw. fale typu kink osiągają amplitudy rzędu 15-20 km/s.
Niespokojna natura Słońca i jej konsekwencje
Najważniejszym aspektem badań okazało się oszacowanie strumienia energii. Zachowawcze obliczenia wskazują, że całkowity strumień energii fal Alfvéna mieści się w przedziale 100-400 W/m2. Ta ilość energii wystarcza do wyjaśnienia zarówno ogrzewania plazmy w spokojnej koronie Słońca, jak i przyspieszania szybkiego wiatru słonecznego. Po dziesięcioleciach poszukiwań naukowcy wreszcie znaleźli mechanizm, którego matematyczny opis zgadza się z obserwacjami.
Czytaj też: Betelgeza nie jest sama. Astronomowie dostrzegli jej tajemniczego towarzysza
Fale Alfvéna mogą stanowić źródło nagłych zmian kierunku pola magnetycznego obserwowanych przez sondę NASA Parker Solar Probe. Te gwałtowne przełączenia, będące znaczącymi nośnikami energii, dotychczas nie miały jasnego wyjaśnienia. Nowe obserwacje sugerują, że skrętne fale Alfvéna w koronie mogą być ich punktem wyjścia.
Badania stanowią efekt międzynarodowej współpracy naukowców z Chin, Belgii, Wielkiej Brytanii i Stanów Zjednoczonych. Northumbria University odegrała szczególną rolę w rozwoju Teleskopu Inouye poprzez udział w konsorcjum projektującym kamery dla instrumentu Visible Broadband Imager.