Az energia- és tömegszállítás lehetséges új útja a csillagokban?

2019.10.30.
Az energia- és tömegszállítás lehetséges új útja a csillagokban?
Egy nemzetközi kutatócsoportnak Erdélyi Róbert, a Sheffieldi Egyetem és az ELTE csillagászprofesszora vezetésével elsőként sikerült megfigyelnie hatalmas mennyiségben előforduló, nagy energiájú, akár több magyarországnyi méretű plazmapulzusokat, amelyek energiát képesek szállítani a Nap felszínétől annak felsőbb légkörébe. A kutatás az ELTE-n a Felsőoktatási Intézményi Kiválósági Program asztro- és részecskefizikai tématerületének keretében zajlik, amelyet a TTK-n Frei Zsolt, a Fizikai Intézet igazgatója vezet. A napfizikában áttörőnek számító eredményről a tekintélyes Nature Communications-ben számoltak be.

A csillagászok régóta sejtik, hogy a plazmákban előforduló mágneses hullámok kulcsszerepet játszanak a plazmaasztrofizika egyik mindmáig megoldatlan rejtélyének megfejtésében. Nevezetesen: miért emelkedik a Nap legkörében a hőmérséklet akár több millió fokra, miközben egyre távolodunk a Nap felszínétől? Ez olyan, mintha megmásznánk a Mátrát vagy a Himaláját, és a csúcson sokkal melegebb lenne, mint a hegy lábánál!

Számos kiváló elmélet született a rejtély megoldására (beleértve a plazmák mágneses hullámokkal történő felfűtését), ám az elméletek egyértelmű, csillagászati megfigyelésekkel történő igazolása mindmáig váratott magára.

Erdélyi Róbert csillagásznak, az ELTE Csillagászati Tanszék és az angliai Sheffieldi Egyetem professzorának a Sheffieldi Egyetemen működő Napfizikai és Űrplazma Kutatóközpont (Solar Physics and Space Plasma Research Centre, SP2RC) és a Kínai Tudományos és Technológiai Egyetem (University of Science and Technology of China) kutatóival sikerült új módszerekkel hatalmas mennyiségben észlelniük a Nobel-díjas Hannes Alfvénről elnevezett, nagy energiájú és egyedi tulajdonságokkal rendelkező plazmahullám-pulzusokat a Nap légkörében.

1. ábra: A Nap fotoszférájában és kromoszférájában megfigyelt örvények közötti, Alfvén-pulzusok általi kapcsolat illusztrációja. A fotoszférát és a kromoszférát megjelenítő felvételeket a Hinode műhold készítette, míg a köztük futó színes vonalak a jelenlévő mágneses teret ábrázolják, a Sheffield Advanced Code (SAC) használatával készült valósághű numerikus szimulációkra alapulva. A piros és kék „pöttyök” a kutatók által kifejlesztett Automatikus Örvényészlelő Algoritmus (Automated Swirl Detection Algorithm (ASDA)) által azonosított örvényeket jelenítik meg. Forrás: Liu és mtsai, Nature Communications, 10:3504, 2019

Úgy tűnik, e rövid életű Alfvén-pulzusokat a Nap fotoszférájában sűrűn előforduló, több magyarországnyi méretű plazmaörvények keltik. A kutatók szerint minden egyes pillanatban legalább 150 000 ilyen mágneses plazmaörvény található a Nap felszínén. “Az örvénylő mozgások mindenhol megjelennek az Univerzumban, a háztartási csapokban lefolyó vízre jellemző néhány centiméteres méretűektől kezdve a Földön és a Napon előforduló tornádókon, valamint a Nap plazmakilövellésein keresztül a spirálgalaxisok akár 520 000 fényéves nagyságrendjéig. A mostani kutatás első alkalommal szolgáltatott megfigyeléses bizonyítékot arra, hogy

a Naplégkörben mindenütt jelenlévő örvények rövid életű Alfvén-pulzusokat képesek kelteni 

– mondta a professzor a felfedezésről. – Az így létrejövő Alfvén-pulzusok hengerszerű mágneses fluxuscsövek mentén könnyedén áthaladnak a Nap légkörén. A mágneses jelenségeknek ez a fajtája egy kicsit az erdőben sorakozó fákra emlékeztet. A pulzusok ily módon egészen a kromoszféra tetejéig vagy akár még följebb juthatnak a Nap koronájába, ahol leadhatják energiájukat, ezzel fűtve a mágneses plazmát több millió fokos hőmérsékletre.”

Az Alfvén-hullámok közvetlen észlelése jelenleg komoly kihívást jelent, ugyanis e hullámok a mágneses plazmában történő terjedésük során nem okoznak lokális fényességnövekedést vagy -csökkenést. A megfigyelések során igen nehéz őket megkülönböztetni a plazmahullámok néhány másik típusától, így például a jól ismert transzverzális mágneses plazmahullámoktól, melyeket gyakran hajlítási módusoknak is neveznek.

“Becslésünk szerint az általunk észlelt Alfvén-pulzusok által szállított energiafluxus több mint tízszer akkora, mint ami a Nap felső kromoszférájának helyi fűtéséhez szükséges – jelentette ki Jiajia Liu posztdoktori kutató munkatárs. – A kromoszféra egy viszonylag vékony réteg a napfelszín és az elképesztően forró napkorona között, amelyet napfogyatkozások idején a Napot körülölelő pirosas-rózsaszínes gyűrűként lehet megfigyelni."

2. ábra: A Liu és mtsai (Nature Communications, 10:3504, 2019) által közölt cikkhez tartozó kiegészítő anyagban szereplő modell illusztrációja. A szürke henger egy mágneses fluxuscsövet jelenít meg, a zöld vonalak pedig a mágneses tér erővonalait jelölik. Az erővonalak lilára színezett szakaszai a fluxuscsőben haladó Alfvén-pulzus helyét emelik ki. A középen látható korong különböző színei a plazma eltérő helyi sűrűségét jelenítik meg. Az ábra azt mutatja be, hogyan jelenik meg egy mágneses Alfvén plazmapulzus a megfigyelt kromoszférikus örvények formájában. Az ábra animált változata online elérhető. Forrás: Liu és mtsai, Nature Communications, 10:3504, 2019

Erdélyi professzor hozzátette: “A tudományos közösséget régóta foglalkoztatja az az izgalmas kérdés, hogy hogyan látja el felső légkörét a Nap és sok más csillag energiával és tömeggel. Eredményeink az egyik vezető kínai egyetemmel folytatott izgalmas együttműködés gyümölcsei, mely többek közt olyan, a pályakezdő tudósok legjobbjai közé tartozó kutatók részvételével is folyik, mint Jiajia Liu, Chris Nelson és Ben Snow. Kutatásunk

nagy előrelépés a szoláris és asztrofizikai plazmafűtéshez szükséges nem termikus energia forrásának vizsgálatában.

Úgy véljük, ezek a Nap fotoszférájában talált több magyarországnyi vagy akár még nagyobb plazmaörvények ígéretes jelöltek nemcsak a naplégkör alsó és felső rétegei közötti energia-, hanem egyúttal a Nap légkörét uraló plazmatömeg-szállítás kérdésének megoldására is. Munkatársaimmal együtt végzett kutatásunk során a jövőben erre a rejtélyre fogunk összpontosítani.”

A Nature Kiadó által közölt kutatás Erdélyi Róbert csillagászprofesszor vezetésével, Jiajia Liu, Chris Nelson és Ben Snow, a Sheffieldi Egyetem posztdoktori kutatóinak részvételével, valamint Yuming Wang professzorral, a Kínai Tudományos és Technológiai Egyetem munkatársával történő együttműködésben zajlott, az Eötvös Loránd Tudományegyetem Asztro- és részecskefizika területi kiválósági programjának támogatásával. 

Frei Zsolt Széchenyi-díjas fizikus, a FIKP asztro- és részecskefizikai tématerületének vezetője elmondta: “A nemzetköziesítést szem előtt tartva már 8 külföldi kutató dolgozik programunkban az ELTE-n, és több olyan, elsősorban külföldön tevékenykedő, de gyakran idelátogató és velünk, diákjainkkal közösen munkát végző szakember is bekapcsolódott a munkába, mint a sheffieldi Erdélyi professzor. Nagy öröm számomra, hogy segítségükkel egy év alatt több mint 100 publikáció született, többek között ilyen neves folyóiratokban is, mint az adott cikk.”

A megjelent cikk elérhető a Nature Communications weboldalán

Címlapfotó forrása: ESA SoHO/EIT