Ένα από τα πιο επίμονα αινίγματα της αστροφυσικής αφορά τη θερμοκρασία της ατμόσφαιρας του Ήλιου. Ενώ η ορατή επιφάνεια του άστρου μας εκπέμπει θερμότητα στους 5.800 Kelvin, το λεπτό εξωτερικό στρώμα της ατμόσφαιρας, γνωστό ως στέμμα, παρουσιάζει θερμοκρασίες που αγγίζουν εκατομμύρια βαθμούς. Η επιστημονική κοινότητα αναζητά εδώ και δεκαετίες την αιτία αυτής της δραματικής διαφοράς. Πρόσφατα, μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Wei Sun από το Κινεζικό Ινστιτούτο Ατομικής Ενέργειας πέτυχε μια σημαντική ανακάλυψη, αναπαράγοντας συνθήκες που προσομοιάζουν το ηλιακό στέμμα σε εργαστηριακό περιβάλλον. Τα αποτελέσματα, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Physical Review Letters, υποδεικνύουν ότι η θέρμανση αυτή πυροδοτείται από αστάθειες στο πλάσμα, οι οποίες προκαλούν μικροσκοπικές εκρήξεις ενέργειας, γνωστές ως «nanoflares».
Ο μηχανισμός των μαγνητικών πεδίων και η επανασύνδεση
Η επικρατούσα θεωρία για τη θέρμανση του στέμματος ξεκινά από την επιφάνεια του Ήλιου. Εκεί, το πλάσμα που βρίσκεται σε συνεχή κίνηση συστρέφει και τεντώνει τα μαγνητικά πεδία που εκτείνονται προς το στέμμα, αποθηκεύοντας τεράστια ποσά ενέργειας. Σε ορισμένα σημεία, μέσα σε λεπτά στρώματα ηλεκτρικού ρεύματος, οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου που έχουν αντίθετη κατεύθυνση μπορούν να σπάσουν και να επανασυνδεθούν. Αυτή η διαδικασία, που ονομάζεται «μαγνητική επανασύνδεση», απελευθερώνει απότομα την αποθηκευμένη ενέργεια. Παρόλο που κάθε nanoflare είναι μικρό σε κλίμακα για τα δεδομένα του Ήλιου, η συλλογική τους δράση μπορεί να εκτοξεύσει πίδακες πλάσματος και να θερμάνει το περιβάλλον τους σε ακραίες θερμοκρασίες, προσφέροντας μια πιθανή εξήγηση για το θερμικό παράδοξο του στέμματος.
Η σύνδεση με τη «βροχή του στέμματος»
Παράλληλα με τις θεωρητικές προσεγγίσεις, οι αστρονομικές παρατηρήσεις έχουν αναδείξει τον σχηματισμό δομών που μοιάζουν με δάχτυλα, οι οποίες εμφανίζονται όταν πυκνές σταγόνες ψυχρότερου πλάσματος πέφτουν μέσα στο αραιότερο πλάσμα που τις περιβάλλει, ένα φαινόμενο γνωστό ως «βροχή του στέμματος». Αυτή η διάταξη θεωρείται ασταθής, παρόμοια με την περίπτωση όπου ένα βαρύ υγρό στηρίζεται πάνω σε ένα ελαφρύτερο. Προηγούμενες προσομοιώσεις είχαν υποδείξει ότι αυτά τα «δάχτυλα» πλάσματος θα μπορούσαν να συμπιέσουν τα μαγνητικά πεδία, προκαλώντας επανασύνδεση και μικρούς πίδακες ενέργειας. Ωστόσο, μέχρι σήμερα δεν υπήρχαν άμεσα πειραματικά δεδομένα που να συνδέουν αυτές τις αστάθειες με το φαινόμενο της θέρμανσης μέσω nanoflares, αφήνοντας ένα κενό στην κατανόηση της δυναμικής του ηλιακού στέμματος.
Η πειραματική προσέγγιση στο Shenguang-II
Για να γεφυρώσουν αυτό το χάσμα, η ομάδα του Wei Sun χρησιμοποίησε την εγκατάσταση λέιζερ Shenguang-II στην Κίνα. Οι ερευνητές στόχευσαν με ισχυρές δέσμες λέιζερ μικροσκοπικά πλαστικά αντικείμενα με κυματιστές επιφάνειες. Αυτή η διαδικασία παρήγαγε πλάσμα με διάμετρο λίγων χιλιοστών, στο οποίο οι αστάθειες είχαν προκληθεί με ελεγχόμενο τρόπο. Αν και το μέγεθος του πλάσματος ήταν απειροελάχιστο σε σύγκριση με τα ηλιακά φαινόμενα, οι συνθήκες είχαν ρυθμιστεί ώστε να προσομοιάζουν τη συμπεριφορά του πλάσματος γύρω από τη «βροχή του στέμματος». Η ομάδα παρακολούθησε τη δομή και τα μαγνητικά πεδία του πλάσματος μέσω οπτικής απεικόνισης, ενώ εκτίμησε τις θερμοκρασίες των ηλεκτρονίων αναλύοντας τις εκπομπές ακτίνων Χ, συγκρίνοντας τα αποτελέσματα με πειράματα σε επίπεδες επιφάνειες όπου δεν σχηματίζονταν αστάθειες.
Αποδείξεις για τη θέρμανση μέσω nanoflares
Τα αποτελέσματα του πειράματος αποτέλεσαν την πρώτη εργαστηριακή απόδειξη ότι η θέρμανση μέσω nanoflares οδηγείται από αστάθειες του πλάσματος. Με τη χρήση των κυματιστών στόχων, οι ερευνητές αναπαρήγαγαν τις δομές που μοιάζουν με δάχτυλα, οι οποίες πίεσαν τα αντίθετα μαγνητικά πεδία και προκάλεσαν επανασύνδεση. Αυτή η διαδικασία επέτρεψε στα ηλεκτρόνια να φτάσουν σε θερμοκρασίες περίπου 820.000 Kelvin, τιμή διπλάσια από τη μέγιστη θερμοκρασία που καταγράφηκε στους επίπεδους στόχους. Οι υπολογιστικές προσομοιώσεις που συνόδευσαν το πείραμα επιβεβαίωσαν ότι η ηλεκτρική θέρμανση εντός των στρωμάτων επανασύνδεσης υπερτερούσε σημαντικά της θέρμανσης μέσω τριβής, ενισχύοντας τη θεωρία ότι το μαγνητικό πεδίο αποτελεί τον κύριο μοχλό της θερμικής ενέργειας.
Μελλοντικές προοπτικές και συμπεράσματα
Η επιτυχία αυτού του πειράματος προσφέρει μια κρίσιμη απάντηση στο ερώτημα της θέρμανσης του ηλιακού στέμματος. Η ερευνητική ομάδα στοχεύει πλέον στην επέκταση των πειραμάτων τους, χρησιμοποιώντας τρισδιάστατα πλάσματα και πιο ακριβείς μετρήσεις. Στόχος είναι να διαπιστωθεί πόσο συχνά συμβαίνουν αυτά τα nanoflares στη φύση και αν η συχνότητά τους επαρκεί για να εξηγήσει το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητας που παρατηρείται στο στέμμα. Η εργασία αυτή δεν αποτελεί μόνο μια τεχνική επιτυχία, αλλά και ένα θεμέλιο για την περαιτέρω κατανόηση των φυσικών διεργασιών που διέπουν το άστρο μας, ανοίγοντας τον δρόμο για μελλοντικές μελέτες που θα επιβεβαιώσουν την κλίμακα και την επίδραση αυτού του μηχανισμού στο ευρύτερο ηλιακό σύστημα.
Πηγή: phys.org