A Nap töltött részecskéket lövell ki a Naprendszerbe, de vajon hogyan? A NASA Parker napszondája ezt igyekszik kideríteni.

A képen a Nap felső részén látható sötét terület egy koronalyuk, vagyis egy olyan régió, ahol a mágneses tér nyitott a bolygóközi tér felé. (Azért tűnik sötétnek a lyuk ezen az ultraibolya tartományban készült képen, mert a plazma ott ritkább és így hűvösebb is.) Ezekben a régiókban a plazma felgyorsul, gyors napszéllé válik, de hogy ez hogyan történik, az nyitott kérdés. (Forrás: NASA/SDO)

A napszél, vagyis a Napból induló, töltött részecskékből vagy plazmából álló áram a Naprendszer összes égitestjét eléri, és egy hatalmas buborékot alkot a sötét űrben a Nap körül. Nélkülözhetetlen a földi élethez, de olyan geomágneses viharokat kavar, amelyek áramkimaradásokat és sarki fényt eredményeznek. A napszél keletkezésének mechanizmusát még nem értjük teljesen, ezért látott neki Stuart Bale (University of California) kutatócsoportja a rejtély megoldásának.

A kutatók a Nature című folyóiratban számoltak be munkájukról, amelyet a NASA Parker napszondájának adataira támaszkodva végeztek. 2018-as indítása óta a Parker fokozatosan zsugorodó pályán kering a Nap körül, közelebb kerülve annak felszínéhez, mint bármely korábbi, ember alkotta tárgy.

A napszonda ráadásul még a Nap légkörébe, vagyis a koronába is belemerült, 8,5 millió kilométerre közelítve meg a Nap látható felszínét, a fotoszférát, amelyet a granuláknak nevezett, fortyogó „buborékok”, valamint a nagyobb kiterjedésű mintázatok, a szupergranulák borítanak.

A Nap látható felszínén, vagyis a fotoszférán a felmelegedő plazma fényes, konvektív „buborékok” (granulák) formájában felemelkedik, majd lehűl, és a granulák közötti sötét sávokba zuhan. (Forrás: Kép: NSF/AURA/NSO; Képfeldolgozás: Friedrich Wöger(NSO), Catherine Fischer (NSO)) A szupergranulák hasonlóak a granulákhoz, de sokkal nagyobbak (nagyjából 35 ezer kilométer átmérőjűek). Leginkább a Doppler-eltolódásra alapuló mérések során láthatóak, ahol a felénk mozgó anyag fénye a kék, a tőlünk távolodó anyag fénye pedig a vörös irányba tolódik el. Ezek a tömeges, fortyogó áramlások a teljes napfelszínen előfordulnak, és kulcsfontosságúak a gyors napszél megértéséhez. (Forrás: NASA Marshall Space Flight Center / D. Hathaway)

A kutatók azért vetették be a Parkert, hogy választ adjon a fotoszférából a koronába induló plazma és az azt kísérő mágneses tér felgyorsulásának kérdésére. A napszél különböző sebességgel haladhat, gyorsan és lassan is. Bár a napszél mindkét sebessége a Nap légkörében lévő mágnesességhez kapcsolódik, más a forrásuk. Széleskörű egyetértés van abban, hogy a gyors napszél a koronalyukakból ered, azokból a régiókból, ahol a Nap mágneses erővonalai gyakorlatilag „nyitottak”, és messze a bolygóközi térbe nyúlnak, mielőtt hurkokban visszafordulnának.

A koronalyukak (itt a kép közepéhez közeli sötét terület) nyitottak a bolygóközi tér felé, lehetővé téve az akár 800 kilométeres másodpercenkénti sebeségre gyorsuló áramlást. (Forrás: SDO/ AIA / Veronig A. & Temmer M. (University of Graz, Austria))

De mi történik ezekben a nyílt koronalyukakban, mi hajtja a napszelet? Két elmélet is verseng egymással. Vagy az Alfvén-hullámokként ismert mágneses hullámok teszik, amelyek a plazmán keresztülhaladnak, vagy a mágneses átcsatolódás (magnetic reconnection). Mindkét folyamatról tudjuk, hogy jelen van a Napon.

A kutatók elemezték azoknak a méréseknek az adatait, amelyeket a Parker 2021 novemberében, a 10. perihélium idején rögzített, amikor a Nap közelében haladt el. A szonda mérte a napszél plazmasűrűségét és energiáját, valamint a mágneses tér erősségét. A kutatócsoport ezeket az adatokat kombinálta az SDO (Solar Dynamics Observatory) napkutató szonda felszíni mágneses térrel kapcsolatos méréseivel. Ezt az űreszközt 2010-ben bocsátották fel.

Azt találták, hogy a Parker napszondát a találkozás során mikroáramlatok sújtották, vagyis a gyors napszél nagy sebességű, jet-szerű kitörései. Számítógépes szimulációk segítségével sikerült megállapítaniuk, hogy ezeket a mikroáramlatokat valószínűleg a mágneses átcsatolódás hajtja.

Eszerint az elmélet szerint a plazma a koronalyukakon belüli mágneses átcsatolódás miatt indul el a Nap felszínéről, főként a szupergranulák közötti régiókban.

„Ahol ezek a szupergranula-cellák találkoznak és lefelé haladnak, magukkal rántják az útjukba eső mágneses teret egy lefelé irányuló tölcsérbe.” – magyarázza Bale. „A mágneses tér ott nagyon felerősödik, mert egyszerűen elakad.”

Az ábra azt mutatja, hogy miképpen rendezőknek újra a mágneses terek a mágneses átcsatolódásnak nevezett folyamat révén. Két ellentétes mágneses erővonal találkozik (A), kölcsönhatnak azon a ponton, ahol kereszteznék egymást (B), majd a mágneses tér S-alakú csavarodásával kísért gyorsuló részecskéket indítanak kifelé. A Parker az S-alakú csavarodást mágneses átcsatolódásként látja. (Forrás: Gregg Dinderman / S&T; source: Justin Kasper / Levi Hutmacher / University of Michigan Engineering)

Amikor a tölcsérek behúzzák a szomszédos mágneses tereket, azok újra összekapcsolódnak, és mágneses energiát szabadítanak fel. A felgyorsult plazma mikroáramlatai kilökődnek az űrbe a mágneses tér irányának hirtelen változásaival együtt, amelyeket átcsatolódásnak neveznek. A napszélnek ezek a kitörései találták el a szondát.

A kutatók ezt úgy mutatták ki, hogy összekapcsolták a kitöréseket és az átcsatolódásokat a két koronalyukban lévő nyomaikkal. Megbecsülték azt is, hogy az átcsatolódási események során milyen rátával szabadult fel mágneses energia, és megállapították, hogy ez megegyezik azzal, ami a gyors napszél működtetéséhez szükséges. Emellett a jetekben szokatlanul nagy energiájú részecskék jelenlétét figyelték meg, ami szintén a mágneses átcsatolódásra utal.

Amikor a Parker napszonda átrepül egy koronalyuk felett (utóbbit a rajzon fehér szín jelzi a Nap felszínén), találkozik az átcsatolódó mágneses terekkel, valamint az apró, de gyors napszél-kitörésekkel. (Forrás: University of California, Berkeley; űrszondakép: NASA / Johns Hopkins APL)

A kutatók elmélete szerint az Alfvén-hullámok az átcsatolódás hatására jönnek létre. Ahogy az átcsatolódás által felgyorsított plazma sugarai kiáramlanak a koronalyukakból, Alfvén-hullámokat keltenek. Ezek a hullámok felerősíthetik a napszelet, de elsődlegesen nem ezek hajtják azt.

Michael Hahn (Columbia University), aki nem vett részt a kutatásban, „meggyőzőnek” tartja a bizonyítékot. Azonban rámutat, hogy annak teljes megértése, hogy a mágneses terek átcsatolódása miképpen melegíti és gyorsítja fel a plazmát, még várat magára.

„A szerzők azt a magyarázatot támogatják, hogy az átcsatolódás közvetlenül a Naphoz közeli plazmát melegíti fel.” – mondja Hahn. De úgy gondolja, hogy a tanulmányban említett másik lehetőség, a közvetett energiatranszfer is valószínű lehet. Az energia először a plazmában lévő mágneses hullámokba vagy turbulenciába megy át, és csak később, a Naptól távolabb kerül át ez az energia a plazmába.

A koronában zajló számtalan energiatermelő folyamat miatt nehéz azonosítani, hogy melyek a legjelentősebbek, teszi hozzá Hahn. Ez a bonyolultság kihívást jelent a napfizikusok számára.

A Nature hasábjain megjelent tanulmány bővíti a bizonyítékok körét, megerősítve a napszelet tápláló mágneses átcsatolódásra vonatkozó érveket, így olyan jövőbeni vizsgálati irányokat jelöl ki, mint például annak megállapítása, hogy az átcsatolódás által generált energia mekkora része kerül át a turbulenciába. Emellett megnyitja az utat a geomágneses viharok pontosabb előrejelzése felé is. Biztos magyarázatot ugyan nem ad, de új fejleményt jelent egy folyamatban lévő kutatási témában.

Forrás: Sky & Telescope