Nasze słońce kryje w sobie głęboką tajemnicę. Podczas gdy temperatura powierzchni Słońca wynosi około 10 000 stopni Fahrenheita, jego zewnętrzna atmosfera, znana jako korona słoneczna, ma temperaturę ponad 2 milionów stopni Fahrenheita, czyli około 200 razy gorętszą. Ten wzrost temperatury z dala od Słońca jest kłopotliwy i pozostaje nierozwiązaną tajemnicą od 1939 roku, kiedy po raz pierwszy zidentyfikowano wysoką temperaturę korony. W ciągu następnych dziesięcioleci naukowcy próbowali określić mechanizm, który może powodować to nieoczekiwane ocieplenie, ale jak dotąd nie udało im się to.
Teraz zespół kierowany przez Sayaka Bose, badacza z Laboratorium Fizyki Plazmy (PPPL) Departamentu Energii USDE (DOE), poczynił znaczne postępy w zrozumieniu podstawowego mechanizmu ogrzewania. Ich ostatnie odkrycia pokazują, że odbite fale plazmy mogą napędzać nagrzewanie dziur koronalnych, które są obszarami korony słonecznej o małej gęstości, z otwartymi liniami pola magnetycznego rozciągającymi się w przestrzeń międzyplanetarną. Odkrycia te stanowią znaczący postęp w kierunku rozwiązania jednego z najbardziej tajemniczych dylematów dotyczących naszej najbliższej gwiazdy.
„Naukowcy wiedzieli, że dziury koronalne charakteryzują się wysokimi temperaturami, ale podstawowy mechanizm odpowiedzialny za nagrzewanie nie jest dobrze poznany” – powiedział Bose, główny autor artykułu opisującego wyniki w The Astrophysical Journal. „Nasze odkrycia pokazują, że odbicie fal plazmowych może spełnić swoje zadanie. To pierwszy eksperyment laboratoryjny pokazujący, że fale Alfvéna odbijają się w warunkach odpowiednich dla dziur koronalnych”.
Fale noszące jego imię, przewidziane po raz pierwszy przez szwedzkiego fizyka i laureata Nagrody Nobla Hannesa Alfvéna, przypominają wibracje szarpanych strun gitary, z tą różnicą, że w tym przypadku fale plazmowe powstają w wyniku wibrujących pól magnetycznych.
Bose i inni członkowie zespołu wykorzystali 20-metrową kolumnę plazmową Wielkiego Urządzenia Plazmowego (LAPD) na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles (UCLA) do wzbudzenia fal Alfvéna w warunkach naśladujących te występujące wokół dziur koronalnych. Eksperyment wykazał, że gdy fale Alfvéna napotykają obszary o różnej gęstości plazmy i natężeniu pola magnetycznego, tak jak ma to miejsce w atmosferze słonecznej wokół dziur koronalnych, mogą zostać odbite i cofnąć się w stronę źródła. Zderzenie fal wychodzących i odbitych powoduje turbulencje, które z kolei powodują ogrzewanie.
„Fizycy od dawna stawiali hipotezę, że odbicie fal Alfvéna może pomóc w wyjaśnieniu nagrzewania się dziur koronalnych, ale nie można było tego zweryfikować w laboratorium ani bezpośrednio zmierzyć” – powiedział Jason TenBarge, wizytujący pracownik naukowy w PPPL, który również przyczynił się do powstania badania. „Ta praca stanowi pierwszą eksperymentalną weryfikację, że odbicie fali Alfvéna jest nie tylko możliwe, ale także że ilość odbitej energii jest wystarczająca do ogrzania dziur koronalnych”.
Oprócz przeprowadzania eksperymentów laboratoryjnych zespół przeprowadził symulacje komputerowe eksperymentów, które potwierdziły odbicie fal Alfvéna w warunkach podobnych do dziur koronalnych. „Rytualnie przeprowadzamy wielokrotne weryfikacje, aby zapewnić dokładność naszych zaobserwowanych wyników” – powiedział Bose – „a jednym z tych etapów było przeprowadzenie symulacji. Fizyka odbicia fali Alfvéna jest bardzo fascynująca i skomplikowana! Zadziwiające, jak głęboko podstawowe eksperymenty laboratoryjne z fizyki a symulacje mogą znacznie poprawić naszą wiedzę na temat systemów naturalnych, takich jak nasze Słońce”.
Współpracownikami byli naukowcy z Uniwersytetu Princeton; Uniwersytet Kalifornijski w Los Angeles; i Uniwersytet Kolumbii. Badania zostały sfinansowane przez DOE w ramach kontraktów DE-AC0209CH11466 i DE-SC0021261, a także przez National Science Foundation (NSF) w ramach grantu nr 2209471. Eksperyment przeprowadzono w Basic Plasma Science Facility, który jest placówką współpracującą z użytkownikami będący częścią programu Biura Naukowego DOE ds. Nauk o Energii Fuzyjnej i finansowany w ramach kontraktu DOE DE-FC02-07ER54918 i NSF w ramach kontraktu NSF-PHY 1036140.