Ερευνώντας την ατμόσφαιρα του Ήλιου

Μετάφραση: Θοδωρής Πιερράτος (Theodoros Pierratos)

Μια εκτίναξη στεμματικού υλικού
Χορηγία εικόνας από SOHO (ESA & NASA)

Αναρωτηθήκατε ποτέ τι σημαίνει για εμάς στη Γη ο ηλιακός άνεμος ή τι συμβαίνει όταν η επιφάνεια του Ήλιου εκρήγνυται σποραδικά; Η Lucie Green από το Εργαστήριο Mullard της Επιστήμης του Διαστήματος του Πανεπιστημιακού Κολλεγίου του Λονδίνου στο Ηνωμένο Βασίλειο, περιγράφει μερικές από τις πρόσφατες έρευνες στην ατμόσφαιρα του Ήλιου

Ένα ειδικό ερευνητικό πρόγραμμα που μελετάει τον Ήλιο και την επιρροή του στο Ηλιακό Σύστημα είναι αυτήν την περίοδο σε εξέλιξη. Υπό την αιγίδα των Ηνωμένων Εθνών, το πρόγραμμα καλείται Διεθνές Έτος Ηλιακής Φυσικής^w1 και συμμετέχουν επιστήμονες από όλη την Ευρώπη. Ένα από τα θέματα προς διερεύνηση είναι η ατμόσφαιρα του Ήλιου ενώ υπάρχουν πολλές ακόμη αναπάντητες ερωτήσεις σχετικά με το γειτονικό μας αστέρι.

Μια από αυτές τις ερωτήσεις προέκυψε το 1869, όταν φασματοσκοπικές παρατηρήσεις κατά τη διάρκεια μιας ηλιακής έκλειψης αποκάλυψαν μια φασματική γραμμή που δεν είχε παρατηρηθεί στα εργαστήρια. Αρχικά θεωρήθηκε ότι επρόκειτο για ένα νέο χημικό στοιχείο το οποίο ονομάστηκε προσωρινά ‘κορώνειο’ (coronium), όμως αργότερα βρέθηκε ότι παραγόταν από ισχυρά ιονισμένα ιόντα σιδήρου, τα οποία απαιτούσαν πολύ υψηλές θερμοκρασίες (περίπου ενός εκατομμυρίου Kelvin) για να σχηματιστούν. Αυτή η ανακάλυψη το 1939 ήταν η πρώτη ένδειξη ότι τα αέρια στην ηλιακή ατμόσφαιρα ήταν πολύ πιο θερμά από τη θερμοκρασία επιφάνειας των 6000 Kelvin. Αυτό αποτέλεσε έναν γρίφο. Καθώς απομακρύνεστε από την πηγή θερμότητας (τον πυρήνα του Ήλιου), η θερμοκρασία πρέπει να μειώνεται. Αυτό συμβαίνει έως ότου φθάνετε στην κορυφή της φωτόσφαιρας, αλλά έπειτα η θερμοκρασία αρχίζει να αυξάνεται με την απόσταση από τον πυρήνα. Αυτό παραβιάζει το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής: ένα κρύο σώμα δεν μπορεί να θερμάνει ένα θερμότερο. Οπότε προκύπτει το ερώτημα, τι θερμαίνει το ηλιακό στέμμα; Το πρόβλημα αυτό είναι πλέον γνωστό ως το πρόβλημα της θέρμανσης του στέμματος.

Παρά το γεγονός ότι η ανακάλυψη της πρώτης γραμμής εκπομπής από το στέμμα αντιστοιχούσε σε μήκος κύματος του ορατού φωτός, το μεγαλύτερο μέρος της εκπομπής από το στέμμα γίνεται στα μήκη κύματος της υπεριώδους ακτινοβολίας και των ακτινών X. Με την έναρξη της διαστημικής εποχής, το 1957, τηλεσκόπια ακτινών X που μεταφέρονταν από πυραύλους και δορυφόρους ήταν σε θέση να συλλέξουν δεδομένα έξω από την απορροφητική ατμόσφαιρα της Γης επιτρέποντας στους επιστήμονες να αρχίσουν να μελετούν αυτά τα ηλιακά φαινόμενα. Οι παρατηρήσεις γρήγορα έδειξαν ότι ισχυρή εκπομπή ακτινών X καταγράφονταν στις περιοχές της ατμόσφαιρας του Ήλιου όπου τα μαγνητικά πεδία εμφάνιζαν υψηλή συγκέντρωση. Υπάρχει άραγε σχέση μεταξύ των μαγνητικών πεδίων και της θέρμανσης;

Οι παρατηρήσεις που έγιναν από διαστημικά σκάφη όπως η αποστολή SOHO, το 1995, της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας (ESA) και της NASA χρησιμοποιούνται για να ελέγξουν διάφορες θεωρίες. Οι θεωρίες εμπίπτουν σε δύο κατηγορίες: μοντέλα στα οποία η ενέργεια εξάγεται από μαγνητικά πεδία που διαπερνούν το στέμμα, και κυματικά μοντέλα στα οποία η ενέργεια αποτίθεται από κύματα που διαδίδουν από κάτω προς τα επάνω. Η ιδέα που προς το παρόν φαίνεται να ευνοείται είναι ότι η ενέργεια προέρχεται από τα μαγνητικά πεδία που «σπρώχνονται» και κινούνται συνεχώς τριγύρω, αλλά η έρευνα βρίσκεται ακόμη σε εξέλιξη.

The chromosphere taken with the SOHO spacecraft
Η χρωμόσφαιρα όπως φωτογραφήθηκε από το διαστημικό σκάφος SOHO
Χορηγία εικόνας από SOHO (ESA & NASA)

The corona taken with the SOHO spacecraft
Το στέμμα όπως φωτογραφήθηκε από το διαστημικό σκάφος SOHO
Χορηγία εικόνας από SOHO (ESA & NASA)

The structures in the solar atmosphere which are created by the magnetic fields
Οι δομές που σχηματίζονται στην ηλιακή ατμόσφαιρα από τα μαγνητικά πεδία
Χορηγία εικόνας από SOHO (ESA & NASA)

Μια συνέπεια του θερμού ηλιακού στέμματος και ταυτόχρονα της υψηλής θερμικής αγωγιμότητάς του, είναι ότι αυτό επεκτείνεται συνεχώς στο διάστημα. Αυτή η επέκταση είναι γνωστή ως ηλιακός άνεμος και υπάρχουν δύο τύποι: ο αργός άνεμος που ταξιδεύει με ταχύτητα περίπου 400 km/s και ο ταχύς ηλιακός άνεμος που ταξιδεύει με ταχύτητα περίπου 800 km/s. Προς το παρόν, ούτε οι μηχανισμοί επιτάχυνσης ούτε οι θέσεις αυτών των δύο τύπων δεν γίνονται πραγματικά κατανοητοί, ωστόσο και οι δύο διερευνώνται.

A solar flare taking place in the Sun's atmosphere

Μια ηλιακή έκλαμψη που συμβαίνει στην ατμόσφαιρα του Ήλιου
Χορηγία εικόνας από SOHO (ESA & NASA)

Ο ηλιακός άνεμος εκτείνεται σε όλους τους πλανήτες και τα υπόλοιπα σώματα του ηλιακού συστήματος. Μερικοί πλανήτες, όπως τη Γη, παράγουν το δικό τους μαγνητικό πεδίο: πρόκειται για εκείνους που έχουν είτε έναν πυρήνα από λειωμένο σίδηρο (όπως η Γη) είτε μια ατμόσφαιρα υδρογόνου που είναι τόσο συμπυκνωμένη που συμπεριφέρεται ως μέταλλο (όπως ο Δίας). Αυτό σχηματίζει μια μαγνητική φυσαλίδα γύρω από τον πλανήτη, γύρω από την οποία ο ηλιακός άνεμος ρέει κανονικά. Ο πλανήτης και το μαγνητικό πεδίο του ενεργούν όπως μια πέτρα σε έναν ποταμό, που εκτρέπει το ρεύμα. Εντούτοις, ο ηλιακός άνεμος μεταφέρει μαζί του ένα μαγνητικό πεδίο και όταν αυτό έχει έναν ισχυρό νότιο προσανατολισμό, ευθυγραμμίζεται με το γήινο μαγνητικό πεδίο. Τότε, παράγεται το σέλας (τα Βόρεια και τα Νότια φώτα). Γίνεται έρευνα για να κατανοηθεί ο τρόπος με τον οποίο η ενέργεια του ηλιακού ανέμου μεταφέρεται στο μαγνητικό πεδίο και την ατμόσφαιρα της Γης. Έρευνα διεξάγεται επίσης για να κατανοηθεί πώς ο ηλιακός άνεμος επηρεάζει τους πλανήτες που δεν διαθέτουν μαγνητικό πεδίο. Για παράδειγμα, η αποστολή Venus Express είναι αυτή την περίοδο σe τροχιά γύρω από την Αφροδίτη και μετρά την επίδραση του ηλιακού ανέμου στην ατμόσφαιρα της Αφροδίτης.

Η πιο δραματική δραστηριότητα που συμβαίνει στην ατμόσφαιρα του Ήλιου είναι τεράστιες εκρήξεις πλάσματος και του μαγνητικού του πεδίου γνωστών ως εκτινάξεις στεμματικού υλικού (CME). Το φαινόμενο παρατηρήθηκε για πρώτη φορά στη δεκαετία του '70 και από τότε έχει αποδειχθεί ότι η συχνότητα εμφάνισής του μεταβάλλεται κυκλικά (με αυτό που είναι γνωστό ως ηλιακός κύκλος): Οι CME εμφανίζονται τουλάχιστον μία φορά κάθε τρεις ημέρες, και το μέγιστο τρεις έως πέντε φορές ανά ημέρα. Αυτές οι εκρήξεις μπορούν να κατευθυνθούν προς τη Γη και, όπως ακριβώς συμβαίνει με τον ηλιακό άνεμο, μπορούν να επηρεάσουν το γήινο μαγνητικό πεδίο. Υπό αυτές τις συνθήκες παρατηρούνται διάφορες συνέπειες στη Γη: η θέρμανση και η διαστολή της γήινης ατμόσφαιρας οδηγεί σε μεταβολές των τροχιών των δορυφόρων. Οι πραγματικά πολύ σοβαρές συνέπειες των CME καθιστά απίστευτα ενδιαφέρουσα τη μελέτη τους, με αποτέλεσμα να υπάρχει αυτήν την περίοδο ένας στόλος διαστημικών σκαφών που παρατηρούν τον Ήλιο και τη Γη.

Η αιτία που προκαλεί τις CME είναι γνωστό ότι συνδέεται με τα μαγνητικά πεδία του Ήλιου, τα οποία δημιουργούνται από ηλεκτρικά ρεύματα βαθιά μέσα στο εσωτερικό του Ήλιου, με ένα μηχανισμό που αποκαλείται ηλιακό δυναμό. Δέσμες συμπιεσμένων πεδίων δημιουργούνται και αναδύονται μέσα από τη φωτόσφαιρα και επεκτείνονται προς το στέμμα. Αυτό το μαγνητικό πεδίο εγχέεται συνεχώς στην ατμόσφαιρα και θεωρείται ότι οι CME παρέχουν έναν τρόπο για να απομακρυνθεί και να αποτραπεί μια συσσώρευσή του. Μελέτες που πραγματοποιούνται με διαστημικά σκάφη, όπως το SOHO, το TRACE, το STEREO και το Hinode, σκοπεύουν να αποτυπώσουν πώς οι δομές των μαγνητικών πεδίων αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου.

Η αποστολή STEREO αποτελείται από δύο διαστημικά σκάφη που περιφέρονται γύρω από τον Ήλιο με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορούν να απομακρυνθούν από τη Γη στο διάστημα (η μια τροχιά είναι ελαφρώς πιο κοντά στον Ήλιο απ’ ό,τι στη Γη, και η άλλη ελαφρώς πιο μακριά). Αυτό σημαίνει ότι τα δύο διαστημικά σκάφη βλέπουν τον Ήλιο από διαφορετικές θέσεις στο διάστημα και ακριβώς όπως τα δύο μάτια μας μάς δίνουν μια αίσθηση του βάθους και της προοπτικής, το διαστημικό σκάφος STEREO δίνει μια τρισδιάστατη άποψη των εκτινασσόμενων μαγνητικών δομών (δείτε την εικόνα). Η τρισδιάστατη άποψη χρησιμοποιείται για να ελέγξει και να βοηθήσει στην κατανόηση του φυσικού μηχανισμού της εκτίναξης χρησιμοποιώντας τη γνώση της δομής των μαγνητικών πεδίων. Το STEREO βοηθά επίσης να προβλεφθεί ποια CME θα συγκρουστεί με τη Γη. Αυτή η πληροφορία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί από τους χειριστές δορυφόρων ή τους οργανισμούς παροχής ηλεκτρικής ενέργειας: για παράδειγμα, οι τροχιές των δορυφόρων θα μπορούσαν να ελεγχθούν με ιδιαίτερη προσοχή όταν θεωρείται ότι μια CME θα συγκρουστεί με τη Γη.

Το διαστημικό σκάφος Hinode είναι το αντίστοιχο του Διαστημικού Τηλεσκοπίου Hubble για τον Ήλιο, και επιτρέπει τη μελέτη της εξέλιξης των τεράστιων ατμοσφαιρικών μαγνητικών δομών με την πάροδο του χρόνου με μεγάλη λεπτομέρεια. Θεωρείται ότι ο μόνος τρόπος να αποκτηθεί αρκετή ενέργεια για να εκτινάξει τα δισεκατομμύρια των τόνων του ηλιακού υλικού που αποτελούν μια CME είναι με τη χρήση της ενέργειας που αποθηκεύεται στα συνεστραμμένα και συμπιεσμένα μαγνητικά πεδία. Το Hinode μετράει το πόσο συνεστραμμένο είναι το μαγνητικό πεδίο και τα αποτελέσματα συγκρίνονται με εκείνα που συλλέγονται από το STEREO. Μόλις καταλάβουμε γιατί δημιουργούνται οι CME, μπορούμε να αρχίσουμε να προβλέπουμε ποιες μαγνητικές δομές θα εκραγούν και ποια τελικά θα έχει τη μεγαλύτερη επίδραση στη Γη.

Ο διαρκής ηλιακός άνεμος και οι σποραδικές CME σημαίνουν ότι η Γη αισθάνεται πάντα την παρουσία του Ήλιου. Στην πραγματικότητα, μπορεί να ειπωθεί ότι καθόμαστε μέσα στην ατμόσφαιρα του Ήλιου, η οποία εκτείνεται μέσα στο ηλιακό σύστημα. Έτσι, όπως η επιστήμη προσπαθεί να κατανοήσει το γειτονικό μας αστέρι, θέλουμε κι εμείς να καταλάβουμε τη θέση μας στο ηλιακό σύστημα.