Egy lépéssel előrébb a Naplégkör fűtésének megértésében

2019.10.30.
Egy lépéssel előrébb a Naplégkör fűtésének megértésében
A napfizikában áttörő eredményre jutott egy nemzetközi kutatócsoport Erdélyi Róbert professzor vezetésével, amikor sikerült új módszerekkel magyarországnyi méretű plazmahullám-pulzusokat észlelnie a Nap légkörében. A Sheffieldi Egyetem és az ELTE csillagászát a modern asztrofizika egyik alapkérdéséről, a Naplégkör fűtésének problémájáról és az Alfvén-hullámok megfigyeléséről mint az energia- és tömegtranszport elmélet bizonyításáról kérdeztük.

Mióta tudják a csillagászok, hogy a Nap felszínén kevésbé van meleg, mint a tőle távolabb eső kromoszférában? Honnan lehet ezt egyáltalán tudni?
1879-ben felfedeztek a Nap színképében egy új, a látható fény zöld tartományéba eső színképvonalat. Először azt gondolták, hogy új elemet fedeztek fel, el is nevezték koroniumnak. Úgy fél évszázaddal később kiderült, hogy nem erről van szó, és a zöld színképvonalra született egy másik, azóta is elfogadott magyarázat. A Nap légkörének hőmérséklete olyan magas, hogy a felfedezett színképvonal nem más, mint a Naplégkörben található vas atomok 13-szorosan ionizált vonala. Ahhoz, hogy a vas atom a 26 elektronjából 13-at elveszítsen, hatalmas hőmérsékletre van szükség, kb. 1–2 millió fokra. Így született meg a modern asztrofizikai egyik máig megoldatlan rejtélye: a Naplégkör fűtésének problémája. Azaz: miért nagyságrendekkel melegebb Napunk légköre, mint az alatta lévő Napfelszín, amit fotoszférának hívunk?

Milyen elméletek születtek a rejtély megoldására?
Napunk légkörének külső rétegében, a teljes napfogyatkozások idején előbukkanó napkoronában a hőmérséklet jóval meghaladja az energiát szolgáltató csillagmaghoz több ezer kilométerrel közelebb eső napfelszín (fotoszféra) kb. 5700 Kelvin hőmérsékletét. Erre a különös jelenségre próbálnak magyarázatot adni a naplégkör fűtésének hidrodinamikai, illetve mágneses fűtési modelljei. Az utóbbiak egy családját a magneto-hidrodinamikai hullámok terjedése és disszipációja alkotja, melyek vizsgálata képes egyben diagnosztikai információt is szolgáltatni a csillagunk légkörének változatos képződményeiben uralkodó fizikai körülményekről. Mindkét kutatási terület alapvető fontossággal bír az Univerzum többi részének megismerésében, hiszen mindazt,

amit Napunkat tanulmányozva felfedezünk, bizonyos mértékben általánosítani tudjuk a többi (hasonló) csillagra.

Jelenleg a legígéretesebb energia- és tömegtranszport elmélet az ú.n. mágneses plazmapulzusokkal kapcsolatos. Ezeket a pulzusokat óriási, több magyarországnyi méretű plazmaörvények keltik. A pulzusok több 10 km/s sebességgel száguldanak a Nap felszínétől a felsőbb légköri tartományokba. Útjuk során energiát és plazmát transzportálnak, ezzel fűtve fel a Nap légkörét.

Mi ragadta meg a témában, miért éppen ezzel kezdett el foglalkozni?
Amikor egyetemista voltam, néhai Marik tanár úrhoz mentem témát keresni, mivel nyáron szerettem volna a szünetben apróbb kutatás végezni a TDK keretében. Marik tanár úr a kezembe nyomott egy orosz nyelvű cikket magneto-hidrodinamikai (MHD) lökéshullámokról. Se oroszul nem tudtam, se az MHD hullámokról nem volt sok fogalmam. Egy hónapon keresztül minden szót a szótárból kikeresve haladtam előre napról napra, mire sikerült a cikket úgy-ahogy lefordítanom.  Így kezdődött...  Aztán kiderült, hogy a téma a modern asztrofizika egyik alapkérdése. Évekig az elméleti oldalról próbáltam megközelíteni, és csak az utóbbi pár évben fókuszáltam kutatócsoportommal a megfigyelési oldalra is. De ez még bonyolultabbnak tűnt, sok nehézséggel!

Mi jelentette az akadályt? Miért volt nehéz bizonyítékot találni?
Az egyik legbonyolultabb kérdés az ú.n. Alfvén-hullámok megfigyelése asztrofizikai környezetben.

Az Alfvén-hullámok a plazma-asztrofizika Szent Grálja, nagyon sok erőfeszítés középpontjában áll a létezésük bizonyítása.

Ezek a hullámok mágneses eredetűek, és csak plazmákban léteznek. Speciális viselkedésük miatt nagyon nehéz megfigyelni őket a természetben, például egy csillag (mint a Nap) légkörében. Ráadásul mi ennek a hullámnak az igen rövid életű, ú.n. pulzus verziója után vadásztunk.

Mi segített végül?
Két dolog. Az egyik, hogy rendelkezésre állt a jelenleg létező legjobb napfizikai távcső, a Kanári-szigeteken felépített Svéd Naptávcső (SST – Swedish Solar Telescope), amelyiknek páratlan felbontóképességű műszerei vannak. A másik pedig, hogy

sikerült kifejlesztenünk egy intelligens alakzatfelismerő szoftvert, gépi tanulás segítségével.

Algoritmusunk segítségével például kb. 80 százalékkal pontosabban tudjuk megjósolni a napkitörésekkel sokszor együtt járó koronaanyag kidobódások (angolul Coronal Mass Ejection / CME) földi légkörünkkel való kölcsönhatásának idejét, mint a NASA összes többi alkalmazott módszere együttesen. Ezzel vezető szerepet is játszunk ezen a területen, amint az a NASA témával kapcsolatos oldalán is látható.

Ha jól értem, a nagy dolog itt a plazmahullám-pulzusok észlelése. Emlékszik még az első észlelés pillanatára?
Igen, az átütő eredmény a mágneses plazmahullám-pulzusok tulajdonságainak egyértelmű észlelése. Ráadásul annak észlelése, hogy plazmahullám-pulzusból több százezer van minden időpillanatban! Ez azért nagyon izgalmas volt, mi magunk is elcsodálkoztunk, milyen sok van minden időpillanatban a Napon ezekből a magyarországnyi méretű plazmaörvények által gerjesztett pulzusokból!

Milyen előrelépést jelent ez a szolárfizikában?
Sikerült először bizonyítékot találni arra, hogy az Alfvén-pulzusoknak jelentős szerepük lehet a naplégkör fűtésében, reményt adva arra, hogy megoldjunk a közeljövőben egy évszázados problémát. Persze, a teljes kép megértéséhez még igen rögös út vezet, sok munkával és feltehetően szerencsével is.

És hogyan hasznosulhat a megfigyelésük a jövőben?
Amennyiben sikerül megérteni, hogyan fűti fel a természet csillagok légkörét sok millió fokos hőmérsékletre az anyag negyedik, azaz plazma-halmazállapotában, akkor ennek

ipari megvalósítása nagyban hozzájárulhat teljesen tiszta,  "zöld" energia előállításához,

például fúziós reaktorok segítségével. Ez napjaink egyik legalapvetőbb kérdése, ha még évtizedek múlva is civilizáltan szeretnénk létezni.

Tudja-e már, mi a következő lépés? Mik a tervei?
Persze, dolgozunk is a következő lépésen! De erről inkább majd egy másik alkalommal beszélnék, ugyanis nagy a verseny és sok az igen kitűnő tudású versenytárs. Annyit azért elárulhatok, hogy a következő lépés arról szól, mi a kapcsolat a megfigyelt hatalmas mennyiségű mágneses örvények keltette plazmahullám-impulzusok és a Napból kitörő plazma-kiáramlások között. Ugyanis utóbbiak alapjaiban határozzák meg Űridőjárásunkat, melynek megértése és előrejelezhetősége az egyik kiemelt stratégiai kutatási irány az Európai Unió H2020 kutatásfejlesztési programjában. ELTE-s kollégáimmal és a Magyar Napfizikai Alapítvánnyal közösen mi is ebben a témában kívánunk előrelépni a hamarosan teljesen felújított gyulai Bay Zoltán Napfizikai Obszervatórium forradalmian új eszközparkjának segítségével. Erre mondják angolul: „Watch this place!”.

Az interjút Koncz Virág készítette.