Solar Orbiter rozwikłał zagadkę magnetycznych zygzaków Słońca

Europejska sonda Solar Orbiter przeleciała bezpośrednio przez gigantyczne załamanie pola magnetycznego w wietrze słonecznym. Bezpośrednie próbkowanie plazmy pozwoliło wskazać koronalne źródło tych struktur i pogodzić dwie rywalizujące ze sobą teorie heliofizyczne.

*Serpentyna zauważona przez sondę Solar Orbiter w 2022 roku (jasny, niebiesko-biały obiekt rozciągający się po lewej stronie). Obserwacja potwierdziła, że ma kształt litery S.*
*Źródło: ESA / ATG medialab*

Wiatr słoneczny to nieprzerwany strumień naładowanych cząstek omijających naszą planetę, niosący ze sobą linie międzyplanetarnego pola magnetycznego. Choć zjawisko to badamy od zarania ery kosmicznej, heliosfera wciąż kryje dynamiczne mechanizmy trudne do jednoznacznego wyjaśnienia. Jednym z najbardziej intrygujących odkryć ostatnich lat były tzw. switchbacks – nagłe, gwałtowne załamania linii pola magnetycznego w kształcie litery „S”, w których wektor pola na krótki czas odwraca się o niemal 180 stopni względem kierunku radialnego.

W środowisku naukowym trwał wieloletni spór o to, gdzie i jak te magnetyczne zygzaki powstają: czy rodzą się bezpośrednio przy powierzchni gwiazdy wskutek gwałtownych procesów erupcyjnych, czy też kształtują się dopiero w trakcie wędrówki przez przestrzeń międzyplanetarną pod wpływem fal oraz turbulencji w samej plazmie? Najnowsza publikacja w czasopiśmie Nature Astronomy przynosi bezpośrednie dowody obserwacyjne, które rozstrzygają tę kwestię.

Czym są magnetyczne odwrócenia pola w wietrze słonecznym?

Podczas rutynowego przelotu przez przestrzeń międzyplanetarną magnetometry rejestrują na ogół uporządkowany kierunek linii pola wychodzących ze Słońca. Jednak od czasów misji Ulysses, a ze szczególną intensywnością podczas zbliżeń sondy Parker Solar Probe, badacze obserwowali lokalne zaburzenia – obszary, w których pole magnetyczne dosłownie zawraca w stronę korony słonecznej, by po chwili powrócić do pierwotnego biegu.

Zjawiskom tym towarzyszą nagłe skoki prędkości radialnej wiatru słonecznego, określane mianem pików prędkościowych. Struktury te odgrywają fundamentalną rolę w bilansie energetycznym heliosfery, odpowiadając za transport energii mechanicznej oraz podgrzewanie plazmy koronalnej do milionów kelwinów. Choć teleskopy sondy Solar Orbiter sfotografowały wcześniej pojedynczą strukturę tego typu w świetle widzialnym i ultrafiolecie, brakowało jednoznacznego dowodu łączącego wnętrze takiego załamania z konkretnym rejonem na powierzchni gwiazdy.

Chemiczny odcisk palca wewnątrz fali magnetycznej

Przełom nastąpił w momencie, gdy Solar Orbiter – znajdując się w połowie dystansu między Ziemią a Słońcem – zanurzył się bezpośrednio w sam środek wielkoskalowego załamania magnetycznego. Zaawansowany analizator cząstek SWA (Solar Wind Analyser) pobrał próbki gorącej plazmy uwięzionej wewnątrz struktury.

Analiza stanów ładunkowych oraz składu pierwiastkowego wykazała wyraźną obecność silnie zjonizowanego węgla i tlenu. W fizyce słonecznej taka konfiguracja jonowa stanowi jednoznaczny odcisk palca plazmy uwięzionej pierwotnie w zamkniętych, gęstych pętlach magnetycznych tuż nad fotosferą słoneczną.

Kluczowym procesem okazała się rekoneksja wymienna (interchange reconnection). Zjawisko to zachodzi, gdy zamknięta pętla magnetyczna zderza się z otwartą linią pola wybiegającą w przestrzeń międzyplanetarną. Dochodzi wówczas do przerwania i ponownego połączenia linii pola w nowej konfiguracji geometrycznej. Uwięziona wcześniej plazma zostaje uwolniona w przestrzeń, inicjując przemieszczające się załamanie pola w kształcie litery „S”.

Zestawienie danych cząstkowych z magnetogramami i obrazami tarczy słonecznej pozwoliło bezsprzecznie powiązać badany impuls z aktywnym obszarem koronalnym. Wyniki te godzą dotychczasowe modele teoretyczne: rekoneksja wymienna odpowiada za wygenerowanie załamania tuż przy Słońcu, natomiast fale magnetohydrodynamiczne (fale Alfvéna) sterują jego stabilnością i propagacją w głąb Układu Słonecznego.

Znaczenie dla modelowania pogody kosmicznej

Precyzyjne poznanie natury zjawisk switchbacks ma istotny wymiar praktyczny. Ziemia znajduje się w strefie ciągłego oddziaływania wiatru słonecznego, a nagłe fluktuacje pola magnetycznego indukują zaburzenia w ziemskiej magnetosferze, prowadząc do burz geomagnetycznych.

Identyfikacja fizycznego mechanizmu odpowiedzialnego za te zjawiska pozwala znacząco udoskonalić numeryczne modele heliosfery. W dobie rosnącej zależności infrastruktury technologicznej od satelitów nawigacyjnych, telekomunikacji orbitalnej oraz naziemnych sieci przesyłowych prądu, dokładne prognozowanie parametrów wiatru słonecznego stanowi kluczowy element ochrony infrastruktury krytycznej.