NASA:n luotaimen ja Maan lähimmän kohtaamisen aikana saadut tiedot antavat tutkijoille mahdollisuuden mitata prosesseja tähtemme ilmakehässä ja parantaa avaruussään ennustamista.
Sisältö
Aurinko ei ole koskaan liikkumaton. Sen ulkoisesta ilmakehästä syntyy jatkuvasti varattujen hiukkasten virta, joka kulkee koko aurinkokunnan läpi ja muodostaa planeettojen avaruusympäristön.
Tämä virta, joka tunnetaan nimellä aurinkotuuli , vaikuttaa satelliitteihin, viestintävälineisiin, ilmailunavigointiin ja sähköjärjestelmiin maapallolla.
Huolimatta sen tärkeydestä, sen alkuperä ja lämpenemisprosessi ovat edelleen keskeisiä mysteerejä. Nyt uudet mittaukset, jotka on saatu NASA:n Parker-avaruusluotaimella, antavat meille mahdollisuuden tarkkailla tätä prosessia avaruuden alueella, joka vielä muutama vuosi sitten oli tieteen ulottumattomissa.
Arizonan yliopiston johtama tutkimusryhmä analysoi luotaimen lähestyessä aurinkoa kerättyjä tietoja ja pystyi mittaamaan ennennäkemättömän tarkasti kuuman kaasukerroksen dynamiikkaa, jossa aurinkotuuli syntyy.
Tulokset, jotka julkaistiin Geophysical Research Letters -lehdessä, tarjoavat perustietoa energian ja aineen liikkeestä heliosfäärissä – avaruuspullossa, jossa aurinkoaktiivisuus on hallitsevaa ja joka ulottuu planeettojen kiertoratojen ulkopuolelle.
”Yksi kysymys, joka huolestuttaa meitä teknologisesti kehittyneenä yhteiskuntana, on aurinkomme, tähden, jonka kanssa elämme, vaikutus meihin”, selitti Christopher Klein, apulaisprofessori Albertan yliopiston kuu- ja planeettatutkimuslaboratoriossa ja tutkimuksen johtaja. Tutkimus yhdistää mikroskooppiset fysikaaliset prosessit makroskooppisiin vaikutuksiin, jotka ulottuvat aina Maahan asti.
Tällaisissa äärimmäisissä ilmiöissä, kuten koronan massapurkauksissa, Aurinko heittää avaruuteen valtavan määrän varautuneita hiukkasia ja energiaa.
Kun nämä hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa Maan magneettikentän kanssa, ne voivat häiritä satelliittien toimintaa, aiheuttaa radiohäiriöitä ja lisätä matkustajien saamaa säteilyannosta polaarialueille suuntautuvilla lennoilla. Näiden hiukkasten alkuperän ja kehityksen ymmärtäminen on avainasemassa niiden vaikutusten ennustamisessa.
”Jos pystymme paremmin ymmärtämään auringon ilmakehää, jonka läpi nämä energiset hiukkaset liikkuvat, voimme parantaa kykyämme ennustaa, miten nämä auringonpurkaukset leviävät aurinkokunnassa ja lopulta saavuttavat Maan ja mahdollisesti törmäävät siihen”, Klein sanoi.
Auringon ilmakehä on monimutkaisempi kuin miltä se ensi silmäyksellä näyttää.
Vaikka Auringolla ei ole kiinteää pintaa, tutkijat kuvailevat sen rakennetta erillisten kerrosten avulla. Ytimessä ydinsynteesi muuttaa vedyn heliumiksi ja vapauttaa energiaa, joka ruokkii koko auringon toimintaa. Sen yläpuolella on useita kerroksia, mukaan lukien näkyvä fotosfääri, jossa esiintyy auringonpilkkuja, ja kromosfääri – ohut, turbulentti alue, josta syntyy auringonpurkauksia.
Sen takana on korona – diffuusi plasman kuori, joka näkyy vain täydellisten auringonpimennysten aikana. Tämä alue on yksi aurinkofysiikan suurimmista mysteereistä. Plazman noustessa planeetan sisuksesta sen lämpötila laskee miljoonista asteista noin 10 000 asteeseen Fahrenheit-asteikolla fotosfäärissä . Koronassa lämpötila kuitenkin nousee jälleen yli kahteen miljoonaan asteeseen.
Tämä epätavallinen ilmiö on vuosikymmenien ajan ollut aurinkofysiikan tutkijoiden päänvaiva. Auringon voimakkaat ja dynaamiset magneettikentät ovat keskeisessä roolissa tässä prosessissa, taivuttaen, kiertyen ja yhdistyen monimutkaisella tavalla. Tähän asti mallit ovat tarjonneet vain epäsuoria arvioita.
Ennennäkemätön lähestymistapa
Vuonna 2018 laukaistu Parker Solar Probe -avaruusalus muutti tilanteen. Seitsemän Venuksen gravitaatiomanööverin sisältävän lentoradan ansiosta alus tunkeutui auringon ilmakehään syvemmälle kuin mikään muu avaruusluotain. Jouluna 2024 se saavutti suurimman lähestymisensä Aurinkoon, ollen vain 3,8 miljoonan mailin päässä sen pinnasta.
Tästä äärimmäisestä näkökulmasta Parker mittasi suoraan plasman ja hiukkasten ominaisuudet, jotka muodostavat aurinkotuulen sen lähdealueella. Ensimmäistä kertaa tutkijat pystyivät tutkimaan varautuneiden hiukkasten nopeuksien jakautumista ympäristössä, jossa törmäykset ovat harvinaisia ja lämpötasapainoa ei saavuteta.
”Tiedämme, että aurinkotuuleen lisätään jatkuvasti tietty määrä lämpöä, ja haluamme ymmärtää, mitkä mekanismit todella aiheuttavat tämän lämpenemisen”, Klein sanoi. Uudet havainnot antavat meille mahdollisuuden siirtyä yksinkertaistetuista malleista todellisiin tietoihin perustuviin kuvauksiin.
Ennen Parkerin kokeilua tutkijat kuvasivat aurinkotuulen lämmittävää vaikutusta idealisoidun hiukkasten jakautumisen avulla. Nyt mittaukset osoittavat paljon monimutkaisempia rakenteita, joissa on epätasapainoja, jotka muuttavat energian siirtymisen ja hajoamisen tapoja.
Näiden mittausten avulla tutkijat ovat voineet havaita, kuinka plasma jäähtyy ja lämpiää uudelleen siirtyessään fotosfääristä ulompaan aurinkokruunuun.
Epätasapainossa olevat plasmat
Tulokset osoittavat, että aurinkotuuli ei käyttäydy kuten tavallinen kaasu. Kuten tutkijat ovat kuvanneet yksityiskohtaisesti artikkelissaan:
”Kuumat ionisoidut kaasut, jotka tunnetaan myös nimellä plasma, eivät usein koe riittävästi törmäyksiä lämpötasapainon saavuttamiseksi. Epätasapaino hiukkasten nopeuksien jakautumisessa näissä järjestelmissä muuttaa aaltojen kollektiivista käyttäytymistä.”
Tutkijaryhmä analysoi yhden Parkerin plasmalaitteiden, joka pystyy mittaamaan aurinkotuulta jopa seitsemän miljoonan kilometrin päässä Auringon pinnasta, tietoja. Tässä alueella esiintyy usein epätasapainoisia rakenteita, jotka aiheuttavat erilaisia vaikutuksia.
”Tarkastelimme esimerkkejä näistä muutoksista käyttämällä mittauksia, jotka oli tehty yhdellä Parker Solar Probe -avaruusaluksen plasmalaitteella, joka mittaa aurinkotuulta jopa 7 miljoonan kilometrin etäisyydellä Auringon pinnasta, jossa esiintyy usein epätasapainoisista nopeuksista johtuvia rakenteita. Joskus nämä rakenteet mahdollistavat aaltojen leviämisen pidemmälle, kunnes ne vaimenevat, tai muuttavat vaimennuksesta syntyvän energian jakautumista varautuneiden hiukkasten populaatioiden kesken. Muissa tapauksissa epätasapainosta johtuvat rakenteet vahvistavat aaltojen säteilyä. Tuloksemme korostavat monimutkaisten analyysien merkitystä kuumien plasman järjestelmien lämpenemisen ja epävakauden tutkimisessa aurinkokunnassamme ja maailmankaikkeudessa”, he totesivat.
Näiden havaintojen tulkitsemiseksi tiimi käytti omaa numeerista koodiaan nimeltä Arbitrary Linear Plasma Solver eli ALPS. Tämän työkalun avulla he pystyivät analysoimaan Parkerin laitteen mittaamia todellisia jakaumia ja tutkimaan, miten aallot leviävät tässä monimutkaisessa plasmassa.
ALPS:n avulla tutkijat määrittivät, miten lämpeneminen muuttuu, kun hiukkaset etääntyvät Auringosta. Auringon tuulen syntypaikassa hiukkaset alkavat jäähtyä, vaikkakin paljon hitaammin kuin laajenevan kaasun osalta olisi odotettavissa. Tämä ilmiö, joka tunnetaan nimellä vaimennus, on jälleen yksi mysteeri, jonka selvittämisessä uudet mittaukset auttavat.
Mahdollisuus mitata kunkin hiukkastyypin saama energiamäärä muuttaa käsitystämme aurinkotuulesta ja avaa ovia laajemmalle soveltamiselle. Samat fysikaaliset prosessit tapahtuvat myös muissa ympäristöissä, joissa plasmat ja magneettikentät ovat vallitsevia.
”Jos pystymme ymmärtämään aurinkotuulen vaimennuksen mekanismin, voimme soveltaa tätä tietoa energian hajoamisesta esimerkiksi tähtienväliseen kaasuun, mustien aukkojen ympärillä oleviin akkreetiolevyihin, neutronitähtiin ja muihin astrofysikaalisiin kohteisiin.”
Teoreettisen arvonsa lisäksi nämä saavutukset vahvistavat kykyämme ennustaa avaruussäätä. Paremman ymmärryksen ansiosta siitä, miten aurinkotuuli kiihtyy ja lämpenee ensimmäisten miljoonien kilometrien aikana, tutkijat voivat parantaa malleja, jotka ennustavat aurinkomyrskyjen lähestymistä Maahan.
Parker Solar Probe -avaruusalus jatkaa tehtäväänsä ja lupaa uusia lähestymisiä lähivuosina. Jokainen askel kohti aurinkoa tuottaa tietoa, joka tarkentaa ymmärrystämme tähdestä, joka tavallisuudestaan huolimatta kätkee yhä perustavanlaatuisia salaisuuksia.
Näiden suorien havaintojen ansiosta näkymätön raja, jolla aurinkotuuli syntyy, alkaa vihdoin tulla näkyväksi tieteelle.
