A napszpikulák eredete és szerepe a plazmafűtésben

2019.12.03.
A napszpikulák eredete és szerepe a plazmafűtésben
Még közelebb jutott Erdélyi Róbert, az ELTE és a Sheffieldi Egyetem professzora az asztrofizikusokat és az alkalmazott matematikusokat már másfél évszázada zavarba ejtő csillagászati rejtély megoldásához. Egy nemzetközi kutatócsoport tagjaként nagy felbontású és érzékenységű távcsővel végzett megfigyelései során bebizonyosodott, hogy a korábban már megfigyelt plazmapulzusokat mágneses átkötődés generálja a napfelszínen, majd ezek a szpikulák az energiát át is adják a napkoronának. A tanulmány a tekintélyes Science-ben jelent meg.

A Nap légkörének külső részét, amely több millió kilométeres távolságra terjed ki csillagunk látható felszínétől, koronának nevezzük. Bár a hőmérséklet a Nap magjában akár 15 millió fok is lehet, a felszínt elérve ez az érték körülbelül 5700 fokra csökken. Ezután azonban a magasság további növekedésével a hőmérséklet ismét emelkedni kezd, és rejtélyes módon a koronában már több millió fokot is elérhet! Hogy mi okozza a Nap koronájához köthető hőmérsékletemelkedést, az a modern asztrofizika egyik óriási, még mindig megoldásra váró kihívása.

A Nap koronájának kompozíciós képe a 2017-es teljes napfogyatkozás idején. A napkorong felvétele a NASA Solar Dynamics Observatory (SDO) műhold segítségével 171 Angstrom hullámhosszon készült. A napszélen (limb) lévő tartományokat a kínai Pekingi Egyetem és Yunnan Obszervatórim piros és zöld tartományokban észlelő távcsövei készítették (Chen és tsi., Astrophys. Journal, 2018).

A szpikulák, melyeket a jezsuita Secchi atya fedezett fel 1877-ben, kis méretskálájú, mágneses, gejzírszerű anyagkilövellések a Nap kromoszférájában, a naplégkör fotoszféra és korona között elhelyezkedő egyik rétegében. Az asztrofizikai léptékkel mérve keskeny, pár száz kilométer átmérőjű plazmaoszlopok a napfelszín feletti mintegy 5–8.000 km magasságba képesek emelkedni. Becslések szerint minden pillanatban több millió lehet belőlük a Nap légkörében.

Sok csillagász azt gyanítja, hogy

a szpikulák a naplégkör alsóbb rétegei és a korona közti anyag- és energiaáramlás csatornáiként szolgálhatnak.

Keletkezésük folyamatát és működésük mechanizmusát azonban még nem sikerült véglegesen tisztázni, mivel nem voltak olyan felbontású és érzékenységű távcsövek, amelyekkel ilyen „apró” méretű jelenségeket megfigyelhettek volna.

Most azonban olyan nagy tér- és időbeli felbontású eszközök jelentek meg, amelyek már bepillantást engednek a szpikulák keletkezésének mechanizmusába, sőt abba is, hogyan járulnak hozzá a szpikulák a napkorona fűtéséhez.

Erdélyi Róbert, az ELTE kutatóprofesszora, a Sheffieldi Egyetem Napfizika és Űrplazma Kutatóközpont (Solar Physics and Space Plasma Research Centre) vezetője 2004-ben írt a kérdésről tanulmányt, mely a Nature címlapjára került, 2019 nyarán pedig az általa vezetett kutatócsoporttal elsőként figyelte meg a nagyenergiájú, több magyarországnyi méretű örvények által gerjesztett, a Nap felszínétől annak felsőbb légkörébe energiát szállító plazmapulzusokat, és tette közzé mérföldkőnek számító megfigyeléseit a tekintélyes Nature Communications-ben. (A megfigyelésről interjúnkat Erdélyi Róberttel itt olvashatja.)

Részvételével a közelmúltban egy nemzetközi kutatócsoport a Big Bear Observatory (BBSO) 1,6 méteres Goode Solar Telescope (GST) távcsövével végzett megfigyeléseket. Ez az eszköz a világ jelenleg működő legnagyobb apertúrájú és egyben legnagyobb felbontású naptávcsöve. Segítségével

a kutatók temérdek szpikulát figyeltek meg rendkívül nagy térbeli felbontással,

miközben szintén nagy térbeli felbontással mérni tudták a Nap fotoszférájának dinamikusan változó mágneses tereit is.

A Goode naptávcső a kaliforniai Big Bear Solar Observatory-ban

A kutatócsoport a távcsővel végre megfigyelhette, ahogy a szpikulák azonnal kilövellnek, amikor a domináns polaritású mágneses mező körül ellentétes polaritású mágneses fluxus jelenik meg. A tudósok eddig még soha nem látták (csupán csak feltételezték) a szpikulát megelőző mágneses rekonnekciót (átkötést), ami magát a szpikulát okozza.

Balra: A sötét, hosszúkás alakzatok a Nap szpikulái, a hidrogen alfa vonalának kék tartományában. Jobbra: A szpikulák mágneses eredetének vizualizálása. A kék és vörös kontúrok ellentétes polaritású mágneses tereket körvonalaznak (Samanta és tsi., Science 2019). Adatforrás: BBSO-GST

Bár korábban már látták, hogy a plazmanyalábokban sok az energia, azt is most sikerült először megfigyelni, hogy

az energiát a plazmanyalábok át is adják a környezetüknek.

Az úttörőnek számító távcsöves megfigyelés most minden ediginél erősebben bizonyítja, hogy a naplégkör alsó régióiban végbemenő mágneses átkötés, vagyis a mágnes mezők dinamikus interakciója szolgál a szpikulák hajtóerejéül, és az így keletkezett szpikulák juttatnak el óriási mennyiségben nem-termális energiát a napkoronába, közvetlen kapcsolatot teremtve így a légkör alsó rétegeiben zajló mágneses aktivitás és a koronafűtés között.

A koronafűtés megfigyelése a szpikulák csúcsánál lévő emissziós kifényesedés formájában.  A hidrogéen alfa vonalának kék tartományában megfigyelt szpikulák (szürke) montázsa a hozzájuk tartozó AIA 171 Angstrom hullámhosszú tartományban készült (sárga) műhold felvételen (Samanta és tsi., Science 2019). Adatforrás: BBSO-GST

A kutatók most a megfigyelési eredményekre építő, fejlett számítógépes szimulációk futtatását szorgalmazzák, és további elméleti kutatásokat javasolnak a koronafűtés kérdésének megoldására.

„A jelenlegi csúcstechnológia eddig teljességgel ismeretlen és elképzelhetetlen megfigyelésekre adott lehetőséget.

Alapvetően új, eddig soha nem látott szögből vizsgálhattuk a plazmakilövelléseket,

amelyek milliószámra bekövetkeznek a Nap felszínén, és az asztrofizikusokat már jó másfél évszázada foglalkoztatják  – mondta Erdélyi Róbert. – Elmondhatjuk, hogy a megfigyelőket, modellezőket és elméleti szakértőket összefogó kutatás eredményeképpen jelentős előrelépést tettünk a régi rejtély megoldásában. Alig várjuk, hogy még tovább mehessünk! Hamarosan az eddigieknél is nagyobb felbontásra képes óriástávcsövekkel dolgozhatunk: jövőre már elérhető lesz a Daniel K. Inouye Naptávcső (DKIST), és remélhetőleg a közeljövőben használatba vehetjük az Európai Naptávcsövet is. Nagyon várjuk a Magyar Napfizikai Alapítvány kezelésében álló Gyulai Bay Zoltán Napfizikai Obszervatórium kutatási célra készülő, egészen kiváló távcsövét is, rengeteg új megfigyeléshez segít majd hozzá minket!"

Ezek a  legfejlettebb technológiára épülő műszerek segíthetnek jobban megérteni például azt is, milyen kapcsolat van a szpikulák és az űridőjárás  között. Az utóbbi kutatási terület az EU H2020 stratégiailag kiemelt kutatási területe, melynek erős hazai vonzata is van, amennyiben Magyarország újra embert küld a vlágűrbe. A biztonságos űrutazás egyik alapfeltétele az űridőjárás folyamatainak precíz ismerete.

A kutatás az ELTE-n a Felsőoktatási Intézményi Kiválósági Program (FIKP) Frei Zsolt vezette asztro- és részecskefizikai tématerületének keretében zajlik. A program támogatásával született eredmény a világ egyik legjelentősebb tudományos folyóirataként számon tartott Science-ben jelent meg.