Gdzie powstaje pole magnetyczne Słońca? Nowe odkrycie w końcu wyjaśnia 400-letnią tajemnicę

W tym artykule:

1. Badanie dynamiki Słońca
2. Pole magnetyczne Słońca
3. Ciemne plamy na Słońcu
4. Czym są oscylacje skrętne?
5. Kosztowne burze geomagnetyczne

Odkąd po raz pierwszy zaobserwowano aktywność magnetyczną Słońca, astronomowie mieli trudności z ustaleniem, gdzie konkretnie jest ona generowana. Z pomocą przyszedł superkomputer NASA. Wykonując serię skomplikowanych obliczeń, pozwolił wyznaczyć właściwe miejsce. Zdaniem naukowców z Northwestern University w USA, którzy prowadzili badania, dochodzi do tego ponad 30 tys. km pod powierzchnią naszej gwiazdy.

Wydaje się, że to daleko w głąb Słońca. Jednak biorąc pod uwagę, iż promień Słońca wynosi prawie 700 tys. km, okazuje się, że pole magnetyczne jest generowane zadziwiająco blisko powierzchni. Badania zostały opublikowane 22 maja w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Nature”.

Badanie dynamiki Słońca

Odkrycie to zaprzecza wcześniejszym teoriom, które sugerowały, że zjawisko to ma głębokie korzenie. Czyli że zaczyna się ponad 210 tys. km pod powierzchnią Słońca. Uzyskane właśnie wyniki nie tylko pomagają lepiej zrozumieć dynamiczne procesy zachodzące na Słońcu. Przede wszystkim mogą pomóc naukowcom w dokładniejszym prognozowaniu potężnych burz słonecznych.

W związku z wchodzeniem naszej gwiazdy w tzw. okres maksimum słonecznego, najbardziej aktywnej części 11-letniego cyklu, doświadczamy regularnie kolejnych rozbłysków i burz geomagnetycznych. Silne burze słoneczne w tym miesiącu spowodowały, że zorze polarne były widoczne nawet w południowych częściach Europy.

Jednak to, poza cudownym spektaklem na niebie, może też generować poważne zagrożenia. Wiemy, że podobne burze mogą powodować intensywne zniszczenia. Uszkadzają satelity krążące wokół Ziemi i sieci elektryczne oraz zakłócają komunikację radiową.

Pole magnetyczne Słońca

– Zrozumienie pochodzenia pola magnetycznego Słońca jest kwestią otwartą od czasów Galileusza. A temat jest ważny dla przewidywania przyszłej aktywności słonecznej. Takiej jak rozbłyski, które mogą uderzyć w Ziemię – powiedział cytowany przez „Nature” współautor badania Daniel Lecoanet. – Nasz artykuł proponuje nową hipotezę dotyczącą sposobu generowania pola magnetycznego Słońca. Hipotezę, która lepiej pasuje do obserwacji Słońca i, mamy nadzieję, może być wykorzystana do lepszego prognozowania aktywności słonecznej.

Daniel Lecoanet, ekspert w dziedzinie astrofizyki i dynamiki płynów, jest adiunktem nauk inżynieryjnych i matematyki stosowanej w Northwestern's McCormick School of Engineering oraz członkiem Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics. Badaniem kierował Geoffrey Vasil, profesor matematyki na Uniwersytecie w Edynburgu w Szkocji.

Ciemne plamy na Słońcu

Aktywność magnetyczna Słońca jest tematem nieustannych dociekań heliofizyków. Łączy się występowaniem plam słonecznych, czyli ciemnych obszarów w fotosferze Słońca. Plamy słoneczne zwykle występują w grupach i osiągają ogromne rozmiary, przekraczające 50 tys. km. Ich ciemna barwa jest złudzeniem optycznym, spowodowanym różnicą temperatur między plamami a resztą powierzchni Słońca. Ciemne plamy są obszarami chłodniejszymi. Przy czym te „chłodniejsze” rejony i tak osiągają temperaturę około 4000 stopni Celsjusza. Czyli o około 1500 stopni mniej niż sąsiednie, gorące obszary.

Pierwszych szczegółowych obserwacji plam słonecznych dokonał w 1612 roku Galileusz. Używając skonstruowanych przez siebie teleskopów, a nawet gołego oka, Galileusz udokumentował zmieniające się ciemne plamy. Dziś wiemy, że są one wywołane stale zmieniającym się polem magnetycznym Słońca.

Na przestrzeni lat astronomowie poczynili znaczne postępy w zrozumieniu pochodzenia słonecznego dynamo. To proces fizyczny, który generuje pole magnetyczne. Mimo to wiedza o nim ma wiele luk.

Czym są oscylacje skrętne?

Aby rozwiązać tę zagadkę, zespół badawczy opracował precyzyjne symulacje numeryczne do modelowania pola magnetycznego Słońca. W przeciwieństwie do poprzednich modeli, nowy uwzględnia oscylacje skrętne. Tak nazywamy cykliczny wzór przepływu gazu i plazmy wewnątrz i wokół Słońca. Ponieważ Słońce nie jest ciałem stałym, jak Ziemia i Księżyc, nie obraca się jako jedno ciało. Zamiast tego jego rotacja zmienia się w zależności od szerokości geograficznej. Podobnie jak 11-letni cykl magnetyczny Słońca, oscylacje skrętne również podlegają 11-letniemu cyklowi.

– Ponieważ fala ma ten sam okres, co cykl magnetyczny, uważano, że zjawiska te są ze sobą powiązane – powiedział Lecoanet. – Jednak wcześniejsza teoria słonecznego pola magnetycznego, zakładająca że tworzy się ono głęboko pod powierzchnią gwiazdy, nie wyjaśnia, skąd pochodzą te oscylacje skrętne. Intrygującą wskazówką jest to, że oscylacje skrętne występują tylko w pobliżu powierzchni Słońca. Nasza hipoteza zakłada, że cykl magnetyczny i oscylacje skrętne są różnymi przejawami tego samego procesu fizycznego – podkreśla naukowiec.

Słońce ciekawostki. Ta gwiazda daje nam życiodajną energię, ale kiedyś zniszczy naszą planetę

Masa Słońca to niemal 99% masy całego Układu Słonecznego. Nasza centralna gwiazda, choć z ziemskiej perspektywy jest ogromna, w skali kosmicznej nie należy do olbrzymów. Dzięki temu ma sza...

Symulacje numeryczne przeprowadził Kyle Augustson, doktorant w laboratorium Lecoaneta w Northwestern. Dzięki nim naukowcy odkryli, że ich nowy model zapewnia ilościowe wyjaśnienie właściwości obserwowanych w oscylacjach skrętnych. Model wyjaśnia również, w jaki sposób plamy słoneczne podążają za wzorcami aktywności magnetycznej Słońca. To kolejny szczegół, którego brakuje w teorii głębokiego pochodzenia pola magnetycznego.

Kosztowne burze geomagnetyczne

Dzięki lepszemu zrozumieniu dynamo słonecznego, naukowcy mają nadzieję na poprawę prognoz dotyczących burz słonecznych. Kiedy rozbłyski słoneczne i koronalne wyrzuty masy (CME) wystrzeliwują w kierunku Ziemi, mogą poważnie uszkadzać infrastrukturę elektryczną i telekomunikacyjną, w tym narzędzia nawigacyjne GPS. Na przykład majowe burze słoneczne wyłączyły systemy nawigacyjne sprzętu rolniczego – w samym szczycie sezonu.

Naukowcy zwracają jednak uwagę na jeszcze potężniejszą burzę słoneczną, która nawiedziła Kanadę we wrześniu 1859 roku. Nazwana wydarzeniem Carringtona, intensywna burza uszkodziła wówczas raczkujący system telegraficzny kraju. Mając wystarczająco wczesne ostrzeżenie, inżynierowie mogliby podjąć kroki, aby zapobiec katastrofalnym uszkodzeniom sieci energetycznych w przyszłości.

– Podczas gdy ostatnie burze słoneczne były potężne, obawiamy się jeszcze potężniejszych burz, takich jak wydarzenie Carringtona. Gdyby burza o podobnej intensywności uderzyła dziś w Stany Zjednoczone, spowodowałaby szkody szacowane na 1 do 2 bilionów dolarów. Chociaż wiele aspektów dynamiki słonecznej pozostaje owianych tajemnicą, nasza praca czyni ogromne postępy w rozwiązywaniu jednego z najstarszych nierozwiązanych problemów fizyki teoretycznej. Otwiera drogę do lepszego przewidywania niebezpiecznej aktywności słonecznej – podsumowuje cytowany przez „Nature” Lecoanet.

Źródło: Nature.

Nasz ekspert

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Związana z magazynami portali Gazeta.pl oraz Wp.pl. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.