Najostrzejsze zdjęcie Słońca ujawnia gwałtowne wiry plazmy

Na powierzchni Słońca odkryto nowy, wcześniej tylko przewidywany rodzaj fal w plazmie – tzw. niestabilność Kelvina‑Helmholtza, tworzącą mikroskopijne wiry na granicach struktur magnetycznych. Udało się je dostrzec dzięki rekordowo ostrym obserwacjom z 4‑metrowego Teleskopu Słonecznego Daniela K. Inouye na Hawajach, a wyniki trafiły właśnie na łamy Nature. To odkrycie może być brakującym ogniwem w zagadce, dlaczego korona Słońca jest tak niezwykle gorąca i jak małe zjawiska na powierzchni napędzają wielkie erupcje słoneczne.

Kolorowany obraz wysokiej rozdzielczości powierzchni Słońca wykonany przez Inouye Solar Telescope, pokazujący „kwiatowe” ziarnistości oraz postrzępione, wirujące struktury na ich brzegach. Źródło: NSF/NSO/AURA/MPS

Najostrzejszy portret Słońca w historii

Inouye Solar Telescope to największy na świecie teleskop słoneczny – jego zwierciadło o średnicy 4 metrów zbiera około siedem razy więcej światła niż inne instrumenty tej klasy, co pozwala rozdzielać szczegóły o skali zaledwie kilkudziesięciu kilometrów na tarczy Słońca. W nowej kampanii obserwacyjnej zespół skierował go na magnetycznie aktywny obszar w pobliżu plamy słonecznej, rejestrując ciąg bardzo szybkich zdjęć w świetle o długości fali 416 nm.

Powstały obraz obejmuje fragment fotosfery o rozmiarach około 5000 na 3500 kilometrów i jest obecnie najostrzejszym widokiem powierzchni Słońca w świetle widzialnym. Widać na nim dobrze znane ziarnistości – bąble gorącej plazmy sięgające około 1000 km – ale przede wszystkim coś zupełnie nowego: postrzępione brzegi struktur magnetycznych i ultracienkie, ciemne smugi oplatające je jak pióropusze dymu.

Czym jest niestabilność Kelvina‑Helmholtza?

Niestabilność Kelvina‑Helmholtza (KHI) pojawia się tam, gdzie dwa płyny – lub plazma – ślizgają się względem siebie z różnymi prędkościami, tworząc silne ścinanie na granicy warstw. Niewielkie zaburzenia na takim styku mogą szybko narastać, zamieniając się w charakterystyczne fale lub wiry przypominające łamiące się fale morskie albo wałki chmur na niebie.

Takie struktury obserwowano już wcześniej w ziemskiej atmosferze, w oceanach, a nawet w atmosferach gazowych olbrzymów jak Jowisz czy Saturn. Teoria od dawna przewidywała, że KHI powinna występować także w fotosferze Słońca, ale dotąd brakowało bezpośrednich, jednoznacznych obserwacji – po prostu nie mieliśmy dość ostrej mikroskopii słonecznej.

Co dokładnie zobaczyli astronomowie?

Na granicach jasnych ziarnistości i ciemniejszych, silnie namagnesowanych obszarów zespół dostrzegł gęstą sieć maleńkich zawirowań plazmy oraz bardzo wąskich, ciemnych pasm. Te frędzle i wiry powstają i znikają w ciągu minut, a wiele z nich ma szerokość zaledwie około 20 kilometrów – to skala, którą dopiero Inouye jest w stanie rozdzielić.

Naukowcy porównali obserwacje z zaawansowanymi symulacjami magnetohydrodynamicznymi MURaM, które odtwarzają zachowanie plazmy i pola magnetycznego w fotosferze. Odległość między sąsiednimi wirami (tzw. długość fali niestabilności) – rzędu 50–65 km – oraz ich ewolucja okazały się praktycznie identyczne w danych teleskopu i w symulacjach, co jednoznacznie wskazuje, że mamy do czynienia z niestabilnością Kelvina‑Helmholtza.

Co więcej, KHI nie jest rzadką ciekawostką – wiry pojawiają się praktycznie wszędzie na krawędziach struktur magnetycznych, co skłoniło autorów publikacji do określenia ich jako powszechne na powierzchni Słońca. To oznacza, że nowo odkryty proces może odgrywać istotną rolę w globalnej dynamice naszej gwiazdy, mimo że działa na bardzo małych skalach.

Jak wiry na Słońcu mogą ogrzewać koronę?

Dane z Inouye pokazują, że wiry KHI wydajnie mieszają namagnesowaną i nienamagnesowaną plazmę na fotosferze, przyspieszając rozpraszanie się linii pola magnetycznego w wyższe warstwy atmosfery. W praktyce takie mikrowirówki działają jak silniczki, które skręcają i przeplatają linie pola, magazynując energię, a następnie pomagając ją uwolnić w postaci fal, ogrzewania i w końcu rozbłysków czy wyrzutów koronalnych.

To z kolei może być jednym z brakujących elementów słynnej zagadki ogrzewania korony, czyli pytania, dlaczego rzadka zewnętrzna atmosfera Słońca jest nawet stukrotnie gorętsza niż jego powierzchnia. Lepsze zrozumienie tych procesów ma też bardzo praktyczny wymiar: erupcje słoneczne i wyrzuty koronalne wpływają na satelity, łączność radiową i sieci energetyczne na Ziemi, a więc lepsze modele fizyki Słońca przełożą się na dokładniejsze prognozy kosmicznej pogody.

Co dalej pokaże Inouye?

Nowe wyniki są dopiero początkiem naukowej kariery Inouye – teleskop pracuje rutynowo dopiero od kilku lat, a każdy sezon obserwacyjny przynosi ogromne ilości danych o fotosferze, chromosferze i koronie. Zespół planuje teraz badać, jak często i w jakich warunkach KHI pojawia się w różnych typach regionów aktywnych i jak łączy się z innymi procesami, takimi jak fale magnetyczne czy rekoneksja pola.

W połączeniu z obserwacjami satelitarnymi (np. SDO, Solar Orbiter) i kolejnymi symulacjami numerycznymi badacze liczą, że uda się zbudować spójny obraz przepływu energii od granic ziarnistości aż po koronę i wiatr słoneczny. Odkrycie ukrytych wirów na Słońcu pokazuje przy okazji, jak ważne są duże teleskopy naziemne w erze misji kosmicznych – pozwalają zajrzeć w szczegóły, których żadna kamera na orbicie nie jest w stanie rozdzielić.