Λύστε ένα κοσμικό μυστήριο 65 ετών

Μια κοσμική ευθυγράμμιση και μερικές ασκήσεις με διαστημόπλοια έχουν προσφέρει μια πρωτοποριακή μέτρηση που βοηθά στην επίλυση του 65χρονου κοσμικού μυστηρίου του γιατί η ατμόσφαιρα του ήλιου θερμαίνεται.

Η ατμόσφαιρα του ήλιου ονομάζεται στέμμα. Αποτελείται από ένα ηλεκτρικά φορτισμένο αέριο γνωστό ως πλάσμα αίματος Η θερμοκρασία του είναι περίπου ένα εκατομμύριο βαθμούς Κελσίου.

Η θερμοκρασία του είναι πάντα ένα μυστήριο γιατί η επιφανειακή θερμοκρασία του Ήλιου είναι μόνο περίπου 6.000 βαθμοί Κελσίου. Το στέμμα θα πρέπει να είναι πιο κρύο από την επιφάνεια επειδή η ενέργεια του Ήλιου προέρχεται από τον πυρηνικό κλίβανο στον πυρήνα του και τα πράγματα γίνονται φυσικά πιο ψυχρά όσο πιο μακριά από την πηγή θερμότητας. Ωστόσο, το στέμμα είναι πάνω από 150 φορές θερμότερο από την επιφάνεια.

Πρέπει να υπάρχει άλλος τρόπος μεταφοράς ενέργειας στο πλάσμα, αλλά τι;

Θεωρίες και προκλήσεις της έρευνας

Εδώ και καιρό υπήρχε η υποψία ότι οι αναταράξεις στην ηλιακή ατμόσφαιρα θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε σημαντική θέρμανση του πλάσματος στο στέμμα. Αλλά όταν πρόκειται για τη διερεύνηση αυτού του φαινομένου, οι ηλιακοί φυσικοί αντιμετωπίζουν ένα πρακτικό πρόβλημα: Είναι αδύνατο να συλλέξουν όλα τα δεδομένα που χρειάζονται με ένα μόνο διαστημόπλοιο.

Υπάρχουν δύο τρόποι για να εξερευνήσετε τον Ήλιο: η τηλεπισκόπηση και οι in situ μετρήσεις. Στην τηλεπισκόπηση, το διαστημόπλοιο είναι τοποθετημένο σε μια ορισμένη απόσταση και οι κάμερες χρησιμοποιούνται για να κοιτάξουν τον ήλιο και την ατμόσφαιρά του σε διαφορετικά μήκη κύματος. Για επιτόπιες μετρήσεις, το διαστημόπλοιο πετά μέσα από την περιοχή που θέλει να εξερευνήσει και λαμβάνει μετρήσεις σωματιδίων και μαγνητικών πεδίων σε αυτό το μέρος του διαστήματος.

Και οι δύο προσεγγίσεις έχουν τα πλεονεκτήματά τους. Η τηλεπισκόπηση δείχνει αποτελέσματα μεγάλης κλίμακας αλλά όχι λεπτομέρειες των διεργασιών που συμβαίνουν στο πλάσμα. Εν τω μεταξύ, οι in situ μετρήσεις παρέχουν πολύ συγκεκριμένες πληροφορίες σχετικά με διαδικασίες μικρής κλίμακας στο πλάσμα, αλλά δεν δείχνουν πώς αυτό επηρεάζει τη μεγάλη κλίμακα.

Διπλή έρευνα σε διαστημόπλοια

Για να έχουμε την πλήρη εικόνα, χρειάζονται δύο διαστημόπλοια. Και αυτό ακριβώς έχουν οι ηλιοφυσικοί επί του παρόντος με τη μορφή του διαστημικού σκάφους Solar Orbiter που πιλοτάρεται από την Ευρωπαϊκή Διαστημική Υπηρεσία και το Parker Solar Probe της NASA. Το Solar Orbiter έχει σχεδιαστεί για να πλησιάζει όσο το δυνατόν πιο κοντά στον Ήλιο και να εξακολουθεί να εκτελεί τηλεπισκόπηση, καθώς και μετρήσεις in situ. Το Parker Solar Probe αγνοεί σε μεγάλο βαθμό την τηλεπισκόπηση του ίδιου του Ήλιου για να πλησιάσει για να κάνει τις μετρήσεις του επί τόπου.

Αλλά για να εκμεταλλευτεί πλήρως τη συμπληρωματική τους προσέγγιση, το Parker Solar Probe πρέπει να βρίσκεται εντός του οπτικού πεδίου ενός από τα όργανα του Solar Orbiter. Με αυτόν τον τρόπο, το Solar Orbiter ήταν σε θέση να καταγράψει τις μεγάλης κλίμακας συνέπειες αυτού που μετρούσε επί τόπου το Parker Solar Probe.

Το Solar Orbiter της ESA είναι ένα από τα δύο ολοκληρωμένα διαστημόπλοια που μελετούν τον Ήλιο σε κοντινή απόσταση: ενώνεται με το Parker Solar Probe της NASA, το οποίο είχε ήδη συμμετάσχει στην αποστολή του. Πηγή: Solar Orbiter: ESA/ATG medialab; Parker Solar Probe: NASA/Johns Hopkins APL

Αστροφυσικός συντονισμός

Ο Daniele Telloni, ερευνητής στο Ιταλικό Εθνικό Ινστιτούτο Αστροφυσικής (INAF) στο Αστροφυσικό Παρατηρητήριο στο Τορίνο, είναι μέλος της ομάδας πίσω από το όργανο Metis του Solar Orbiter. Η Metis είναι ένας στεφανογράφος που εμποδίζει το φως από την επιφάνεια του Ήλιου και τραβάει φωτογραφίες του στέμματος. Είναι το τέλειο εργαλείο για χρήση για μετρήσεις μεγάλης κλίμακας, έτσι ο Daniele άρχισε να ψάχνει για στιγμές κατά τις οποίες το Parker Solar Probe θα παρατάξει.

Διαπιστώθηκε ότι την 1η Ιουνίου 2022, τα δύο διαστημόπλοια θα βρίσκονται στη σωστή τροχιακή διαμόρφωση – περίπου. Ουσιαστικά, το Solar Orbiter θα κοιτάζει τον Ήλιο και το Parker Solar Probe θα βρίσκεται ακριβώς στο πλάι, δραματικά κοντά αλλά έξω από το οπτικό πεδίο του οργάνου METS.

Όταν ο Daniele εξέτασε το πρόβλημα, συνειδητοποίησε ότι το μόνο που χρειαζόταν για να λάμψει φως στο Parker Solar Orbiter ήταν μια μικρή άσκηση με το Solar Orbiter: ένας κύλινδρος 45 μοιρών και μετά να το δείξετε ελαφρώς μακριά από τον Ήλιο.

Αλλά όταν κάθε ελιγμός διαστημικής αποστολής σχεδιάζεται προσεκτικά εκ των προτέρων και όταν το ίδιο το διαστημικό σκάφος είναι σχεδιασμένο να δείχνει μόνο σε πολύ συγκεκριμένες κατευθύνσεις, ειδικά όταν αντιμετωπίζει την τρομακτική ζέστη του Ήλιου, δεν ήταν προφανές ότι η ομάδα επιχειρήσεων του διαστημικού σκάφους θα επέτρεπε έναν τέτοιο ελιγμό . απόκλιση. Ωστόσο, όταν όλοι ήταν ξεκάθαροι σχετικά με την πιθανή επιστημονική επιστροφή, η απόφαση ήταν ένα ξεκάθαρο «ναι».

Η αποστολή Solar Orbiter της ESA θα συναντήσει τον Ήλιο μέσα από την τροχιά του Ερμή στην πλησιέστερη προσέγγισή του. Πηγή: ESA/ATG medialab

Χακ σημειώσεις

Το τιμόνι κύλισης και μετατόπισης προχώρησε. Το Parker Solar Probe εισήλθε στο οπτικό πεδίο και μαζί το διαστημόπλοιο παρήγαγε τις πρώτες ταυτόχρονες μετρήσεις της μεγάλης κλίμακας σύνθεσης του ηλιακού στέμματος και των μικροφυσικών ιδιοτήτων του πλάσματος.

«Αυτή η εργασία είναι το αποτέλεσμα της συνεισφοράς πολλών ανθρώπων», λέει ο Daniele, ο οποίος ηγήθηκε της ανάλυσης των συνόλων δεδομένων. Δουλεύοντας μαζί, κατάφεραν να κάνουν την πρώτη κοινή παρατήρηση και επί τόπου εκτίμηση του ρυθμού θέρμανσης του κορωνοϊού.

«Η δυνατότητα χρήσης τόσο του Solar Orbiter όσο και του Parker Solar Probe έχει ανοίξει μια εντελώς νέα διάσταση σε αυτήν την έρευνα», λέει ο Gary Zank, από το Πανεπιστήμιο της Αλαμπάμα στο Χάντσβιλ των ΗΠΑ, και συν-συγγραφέας της εργασίας που προέκυψε.

Συγκρίνοντας τον πρόσφατα μετρημένο ρυθμό με τις θεωρητικές προβλέψεις που έγιναν από ηλιακούς φυσικούς όλα αυτά τα χρόνια, ο Daniel έδειξε ότι οι ηλιακοί φυσικοί είχαν χονδρικά δίκιο στον προσδιορισμό των αναταράξεων ως μέσο μεταφοράς ενέργειας.

Η ιδέα του καλλιτέχνη για το διαστημόπλοιο Parker Solar Probe που πλησιάζει τον Ήλιο. Πίστωση εικόνας: NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribbin

Ο συγκεκριμένος τρόπος με τον οποίο το κάνει αυτό η διαταραχή δεν διαφέρει από αυτό που συμβαίνει όταν ανακατεύετε το πρωινό σας φλιτζάνι καφέ. Διεγείροντας τυχαίες κινήσεις ενός ρευστού, είτε αερίου είτε υγρού, η ενέργεια μεταφέρεται σε όλο και μικρότερες κλίμακες, η οποία καταλήγει στη μετατροπή της ενέργειας σε θερμότητα. Στην περίπτωση του ηλιακού στέμματος, το ρευστό μαγνητίζεται επίσης και έτσι η αποθηκευμένη μαγνητική ενέργεια είναι επίσης διαθέσιμη για μετατροπή σε θερμότητα.

Μια τέτοια μεταφορά μαγνητικής ενέργειας και κινητικής ενέργειας από μεγαλύτερες σε μικρότερες κλίμακες είναι η ουσία των αναταράξεων. Στις μικρότερες κλίμακες, επιτρέπει στις διακυμάνσεις να αλληλεπιδράσουν τελικά με μεμονωμένα σωματίδια, κυρίως πρωτόνια, και να τα θερμάνουν.

Συμπεράσματα και συνέπειες

Χρειάζεται πολύ περισσότερη δουλειά για να μπορέσουμε να πούμε ότι το πρόβλημα της ηλιακής θέρμανσης έχει λυθεί, αλλά τώρα, χάρη στο έργο του Daniel, οι ηλιακοί φυσικοί κατάφεραν να κάνουν την πρώτη μέτρηση αυτής της διαδικασίας.

“Αυτή είναι μια επιστημονική πρωτιά. Αυτή η εργασία αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός για την επίλυση του προβλήματος της θέρμανσης του κορωνοϊού”, λέει ο Daniel Müller, επιστήμονας του έργου.

Το Solar Orbiter είναι μια διαστημική αποστολή διεθνούς συνεργασίας μεταξύ της ESA και της ESA NASAπου διαχειρίζεται ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος.