Według nowego artykułu, który kwestionuje dominujące założenia dotyczące tego, co wiemy i czego nie wiemy o Słońcu, wiele pętli koronalnych – krętych pasm plazmy, o których naukowcy od dawna myśleli, że istnieją w atmosferze Słońca – może być w rzeczywistości złudzeniami optycznymi. .
Badania, prowadzone przez Narodowe Centrum Badań Atmosferycznych (NCAR) i opublikowane w The Astrophysical Journal, opierały się na najnowocześniejszej, realistycznej symulacji 3D korony słonecznej. Symulacja przeprowadzona kilka lat temu w NCAR pozwoliła naukowcom na pocięcie korony na odrębne sekcje w celu wyizolowania poszczególnych pętli koronalnych.
Odkryli, że wiele pętli w ogóle nie było pętlami.
Chociaż zespół badawczy był w stanie wskazać niektóre pętle koronalne, których szukali, odkryli również, że w wielu przypadkach to, co wydaje się pętlami na zdjęciach wykonanych na Słońcu, może w rzeczywistości być zmarszczkami jasnej plazmy w atmosferze słonecznej. Gdy arkusze jasnej plazmy zaginają się nad sobą, fałdy wyglądają jak jasne cienkie linie, naśladując wygląd wyraźnych i samodzielnych pasm plazmy.
Odkrycia, które zespół badawczy nazywa hipotezą „zasłony koronalnej”, mają znaczące implikacje dla naszego zrozumienia Słońca, ponieważ przypuszczalne pętle koronalne były używane od dziesięcioleci jako sposób na wywnioskowanie informacji o gęstości, temperaturze i innych parametrach fizycznych. charakterystyka atmosfery słonecznej.
„Spędziłam całą swoją karierę na badaniu pętli koronalnych” — powiedziała naukowiec NCAR Anna Malanushenko, która kierowała badaniem. „Byłem podekscytowany, że ta symulacja da mi możliwość zbadania ich bardziej szczegółowo. Nigdy się tego nie spodziewałem. Kiedy zobaczyłem wyniki, mój umysł eksplodował. To zupełnie nowy paradygmat rozumienia atmosfery Słońca”.
Badania były finansowane przez NASA i obejmowały współpracowników z High Altitude Observatory NCAR, Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory, Southwest Research Institute i NASA Goddard. NCAR jest sponsorowany przez Narodową Fundację Nauki.
Wymagająca intuicja
To, co wydaje się być pętlami koronalnymi, można zobaczyć na zdjęciach Słońca zrobionych w ekstremalnym ultrafiolecie. Założenie, że istnieją, jest dla naukowców naturalne, ponieważ pasuje do naszego najbardziej podstawowego zrozumienia magnetyzmu.
Większość dzieci w wieku szkolnym widziała w pewnym momencie, co się dzieje, gdy opiłki żelaza są posypane w pobliżu magnesu sztabkowego. Opiłki orientują się wzdłuż linii pola magnetycznego, które biegną od jednego bieguna magnesu sztabkowego do drugiego. Te zakrzywione linie rozchodzą się, stając się słabsze i mniej gęste, im dalej od magnesu.
Pozorne pętle koronalne na obrazach Słońca wyglądają uderzająco podobnie, a ponieważ na Słońcu występuje znaczne pole magnetyczne, istnienie linii pola magnetycznego, które mogą uwięzić między nimi sznur plazmy i utworzyć pętle, wydaje się oczywistym wyjaśnieniem. W rzeczywistości nowe badanie potwierdza, że takie pętle prawdopodobnie istnieją.
Jednak pętle koronalne widoczne na Słońcu nigdy nie zachowywały się dokładnie tak, jak powinny, w oparciu o naszą wiedzę na temat magnesów. Na przykład naukowcy spodziewaliby się, że linie pola magnetycznego na Słońcu będą się rozchodzić, tak jak w eksperymencie z opiłkami żelaza, gdy poruszasz się wyżej w koronie. Gdyby tak się stało, plazma uwięziona między liniami pola również rozprzestrzeniłaby się między granicami, tworząc grubsze, mniej jasne pętle. Ale obrazy Słońca nie pokazują tego zjawiska. Zamiast tego pętle dalej nadal wydają się cienkie i jasne.
Możliwość, że te pętle są zamiast tego zmarszczkami w koronowej zasłonie, pomaga wyjaśnić tę i inne rozbieżności z naszymi oczekiwaniami dotyczącymi pętli – ale także zadaje nowe pytania. Na przykład od czego zależy kształt i grubość fałd? A ile z pozornych pętli na obrazach Słońca to w rzeczywistości prawdziwe pasma, a ile to złudzenia optyczne?
„To badanie przypomina nam, jako naukowcom, że zawsze musimy kwestionować nasze założenia i że czasami nasza intuicja może działać przeciwko nam” – powiedział Malanushenko.
Innowacyjny model oferuje nowe spojrzenie na Słońce
Odkrycie, że pętle koronalne mogą być iluzjami, było możliwe dzięki niezwykle szczegółowej symulacji korony słonecznej wyprodukowanej przez MURaM, radiacyjny model magnetohydrodynamiczny, który został rozszerzony w celu modelowania korony słonecznej w ramach wysiłków prowadzonych przez NCAR.
Symulacja była przełomowa, gdy została po raz pierwszy opracowana, ponieważ była w stanie jednocześnie modelować to, co dzieje się w wielu obszarach Słońca, od górnej części strefy konwekcyjnej – około 10 000 kilometrów pod powierzchnią Słońca – przez powierzchnię Słońca i dalej, do prawie 40 000 kilometrów w głąb korony słonecznej. Te zróżnicowane regiony Słońca obejmują szeroki zakres warunków fizycznych, w tym różnice w gęstości i ciśnieniu, dlatego naukowcy nie wymyślili wcześniej sposobu na matematyczne przedstawienie tych regionów w ujednoliconej symulacji.
Nowa symulacja była między innymi w stanie po raz pierwszy uchwycić cały cykl życia rozbłysku słonecznego, od gromadzenia się energii pod powierzchnią Słońca do pojawienia się rozbłysku na powierzchni, a ostatecznie do wybuchowego uwolnienia energia.
Model wytworzył również trójwymiarowe zestawy danych, które zawierają strukturę pola magnetycznego i plazmy, które można wykorzystać do generowania obserwacji „syntetycznych”. Ponieważ korona słoneczna jest optycznie cienka – co oznacza, że stosunkowo łatwo ją przejrzeć – struktury korony nakładają się na siebie na zdjęciach Słońca. Utrudnia to stwierdzenie, czy „pętla”, która nakłada się na inne pętle, znajduje się z przodu czy z tyłu. Trudno też powiedzieć, czy sama pętla ma zwarty przekrój, jak wąż ogrodowy, czy też przypomina długą wstążkę oglądaną krawędzią. Możliwe jest również, że to, co wydaje się być cienkim pasmem, może być artefaktem optycznym spowodowanym zagięciem arkusza jasnej plazmy.
Sześciany danych wyprodukowane przez MURaM dają naukowcom możliwość analizy atmosfery słonecznej i oddzielnego badania nakładających się struktur, co nie jest możliwe w przypadku obserwatoriów i instrumentów, którymi obecnie dysponujemy.
Symulacja MURaM jest jedną z najbardziej realistycznych symulacji korony słonecznej, jakie kiedykolwiek stworzono, ale wciąż jest tylko modelem. Zrozumienie, ile pętli koronalnych jest w rzeczywistości złudzeniami optycznymi, będzie wymagało starannie zaprojektowanych metod obserwacyjnych, które badają koronę i nowych technik analizy danych.
„Wiemy, że zaprojektowanie takich technik byłoby niezwykle trudne, ale to badanie pokazuje, że sposób, w jaki obecnie interpretujemy obserwacje Słońca, może nie być wystarczający, abyśmy naprawdę zrozumieli fizykę naszej gwiazdy” – powiedział Malanushenko.