Hogyan nyerhető hatalmas mennyiségű energia a Nap fotoszférájából?
Matematikai előrejelzésük után nem sokkal világossá vált az is, milyen jelentős hatást gyakorolhatnak ezek a mágneses plazmahullámok számos kutatási területre, beleértve például a neutrínófizikát vagy a csillagközi anyag fizikáját. Annak megértése, hogy milyen szerepet játszanak e hullámok a szuper-nagytömegű fekete lyukak körül zajló részecskegyorsításban, magfúziós folyamatokban, illetve számos ipari alkalmazás tekintetében (pl. metallurgia, lézer plazmák), ma is népszerű kutatási területet jelent.
E titokzatos hullámok jelentőségét az a képességük adja, hogy
tisztán mágneses természetük jóvoltából nagyon nagy távolságra tudnak energiát és információt szállítani.
Valóban észleltek is hasonló, a Napból eredeztethető hullámokat a napszélben és a bolygóközi térben, még a Földhöz igen közel is.
Az Alfvén-hullámok energiaszállító kapacitása a nap- és plazma-asztrofizika számára alapvető fontosságú kérdés, mivel a naplégkör és a csillaglégkörök extrém mértékben magas, akár néhány millió fokos hőmérsékletre történő fűtése immár több mint egy évszázada megmagyarázatlan rejtélyt jelent. Minél magasabbra emelkedünk ugyanis a Nap fotoszférának nevezett felszíne fölé, annál forróbbá válik a naplégkör, míg végül a hőmérséklet akár az 1-3 millió fokot is eléri a naplégkör legkülső rétegében, a napkoronában.
A Nap légkörét mágneses terek járják át, melyeket „kötegekben” figyelhetünk meg. Ezeket gyakran mágneses fluxuscsövekként értelmezik. Egy homogén mágneses fluxuscsőben az Alfvén-hullámok vagy tengelyszimmetrikus, vagy pedig antiszimmetrikus torziós perturbációkként jelennek meg (ld. a mellékelt ábrát).
Összenyomhatatlanságuk miatt az Alfvén-hullámok a Napon legnehezebben megfigyelhető hullámoknak számítanak, közvetlen detektálásuk komoly kihívást jelentett a kutatóknak. Ezek a mágneses hullámok nem “láthatók”, csupán a mágneses- és sebességterek egyes speciális komponenseiben általuk kiváltott zavarok mérhetők.
E különleges tulajdonságok “elrejtették” az Alfvén-hullámokat a Nap felszínén, egészen mostanáig.
A csaknem fél évszázada megjósolt antiszimmetrikus torziós hullámok létezését a Nap mágneses fluxuscsöveiben most sikerült először megerősíteni, a naplégkör nagy tér- és időbeli felbontású spektropolarimetriai megfigyelését lehetővé tevő IBIS műszernek köszönhetően. A hullámokat a kutatók olyan hatékony mechanizmusként azonosították, amely a Nap fotoszférájából hatalmas mennyiségű energiát képes kivonni, amit aztán elszállíthat a naplégkör felsőbb rétegeibe, vagy akár a bolygóközi térbe is. A kutatók emellett korszerű, 3 dimenziós numerikus szimulációkat is készítettek, hogy további betekintést nyerjenek a hullámok keltéséért felelős folyamatokba.
A nemzetközi kutatócsoportot Erdélyi Róbert, az ELTE professzora, a Sheffieldi Egyetem Napfizikai és Űrplazma Kutatóközpont (SP2RC) vezetője, a Magyar Napfizikai Alapítvány kuratóriumának elnöke és Marco Stangalini, az Olasz Űrügynökség (ASI) munkatársa vezeti. A kutatásban részt vettek további 7 kutatóintézet és egyetem tudósai, akik ezáltal számos különböző és egymást kiegészítő terület szaktudását egyesítették, melyek a spektropolarimetriai adatok és a korszerű numerikus szimulációk értelmezéséhez és felhasználásához szükségesek.
„Ez egy valóban lenyűgöző és rendkívül izgalmas kutatási együttműködés volt. Az, hogy sikeresen azonosítsuk ezeknek a Világegyetemünk anyagának negyedik halmazállapotában jelenlévő, roppant különös mágneses hullámoknak a rejtélyes nyomait, igen ritka lehetőség – mondta Erdélyi Róbert. – Csapatként dolgoztunk együtt, elbűvölt, hogy milyen sokat tanulhattam pályafutásuk elején járó fiatal tudósainktól, például Korsós B. Mariannától, az ELTE Csillagászati Tanszék és az Aberystwyth-i Egyetem munkatársától, Chris Nelsontól a Sheffieldi Egyetemről vagy Callum Boococktól a londoni Queen Mary Egyetemről, akik valamennyien jelentősen hozzájárultak a kirakós darabjainak összerakásához.” A csillagász professzor hozzátette:
„Éles nemzetközi verseny folyik, melynek célja, hogy torziós Alfvén-hullámokat találjunk a természetben.
Ez sok vezető kutatásfinanszírozó ügynökség, így például az ESA, a NASA, a STFC (Egyesült Királyság) és a JAXA (Japán) számára is stratégiai kutatási terület, éppen azért, mert ezek a mágneses hullámok akár 30 millió fokra is képesek felfűteni a plazmát. Ha egyszer végre teljes egészében megértenénk, hogyan zajlik ez a fűtés, lemásolhatnánk a természetet, és ingyenes, zöld energiához juthatnánk, hogy megmentsük a bolygót. Ha nem cselekszünk azonnal, túl késő lehet, tekintve a globális csúcstechnológiás társadalmunk és teljes technoszféránk fenntartásához szükséges energiamennyiség nagyságát."
„A kutatás arra irányult, hogy közvetlen bizonyítékot találjunk a tisztán mágneses hullámok jelenlétére, amelynek előrejelzéséért Alfvén 50 évvel ezelőtt a legnagyobb tekintélyű díjban részesült. Ez a csillagászatnak egy fantasztikus területe, mely roppant gyorsan fejlődik az egyre jobb és jobb detektoroknak köszönhetően. Nagyon büszke vagyok rá, hogy fiatal kutatóként részt vehetek ebben az együttműködésben, sokat tanultam erről az izgalmas tudományterületről” – mondta Korsós Mariann.
A torziós Alfvén-hullámok közvetlen felfedezése a Nap fotoszférájában, azaz csillagunk energiatárházának felszínén, csupán az első lépés e mágneses hullámok kapacitásainak és adottságainak teljes kihasználása felé. Immár további kiváló lehetőségek is rendelkezésre állnak az Alfvén-hullámok jelentőségének kutatására. Korábban elképzelhetetlen lehetőségeket nyújt többek között a Solar Orbiter műhold (lásd erről korábbi cikkünket), vagy a 4 méteres apertúrájú földfelszíni Daniel K. Inouye Solar Telescope (DKIST), amelyről itt írtunk, és a jövőbeli Európai Naptávcső (European Solar Telescope, EST) is.
A közelmúltban munkába állított berendezések olyan tér- és időbeli felbontást biztosítanak, melyek segítségével Napunk alapvető titkainak további részleteit deríthetjük fel. A Magyar Napfizikai Alapítvány gyulai központjának egyik stratégiai kutatási területe a napmágnesesség megértése. Hamarosan működésbe lép egy új műszerhálózat, a Solar Activity Monitor Network (SAMNet), amely segíteni fogja a mágneses tér tulajdonságainak vizsgálatát nemcsak a Nap fotoszférájában, hanem fölötte, a kromoszférában is.
Erdélyi Róbertnek és csapatának korábban a naplégkörben sikerült elsőként megfigyelnie az energiaszállító plazmapulzusokat, erről írt beszámolónkat itt olvashatja.
A közlemény a Nature Astronomy folyóiratban 2021. május 10-én jelent meg.