Κινέζοι επιστήμονες αναπαρήγαγαν ηλιακές εκλάμψεις στο εργαστήριο και ίσως εξήγησαν μυστήριο του Ήλιου

Κινέζοι επιστήμονες αναπαρήγαγαν στο εργαστήριο μια διαδικασία που μπορεί να βοηθήσει να εξηγηθεί γιατί η εξωτερική ατμόσφαιρα του Ήλιου είναι πολύ θερμότερη από την ορατή επιφάνειά του. Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters.

Η ορατή επιφάνεια του Ήλιου έχει θερμοκρασία περίπου 5.500 °C, ενώ η εξωτερική του ατμόσφαιρα, η κορώνα, μπορεί να ξεπεράσει το ένα εκατομμύριο βαθμούς Κελσίου. Οι επιστήμονες προσπαθούν εδώ και δεκαετίες να εξηγήσουν πώς παραμένει τόσο θερμή αυτό το λεπτό στρώμα.

Σε πείραμα στο εργαστήριο, ερευνητές στην Κίνα έδειξαν ότι η ανάπτυξη δομών σε πλάσμα που παράγεται από λέιζερ έφερε κοντά μαγνητικά πεδία, επιτρέποντας στη μαγνητική ενέργεια να μετατραπεί σε θερμότητα. Στο πείραμα, η μέγιστη θερμοκρασία των ηλεκτρονίων ήταν σχεδόν διπλάσια από εκείνη που μετρήθηκε σε συγκριτικό πείραμα.

Η ομάδα, στην οποία συμμετείχαν ο Wei Sun από το China Institute of Atomic Energy και ο Yongli Ping από το Beijing Normal University, ήθελε να καταλάβει πώς μπορεί να ξεκινούν μικρές εκλύσεις ενέργειας στον Ήλιο. Οι επιστήμονες θεωρούν ότι αμέτρητες μικροσκοπικές εκλάμψεις, οι λεγόμενες nanoflares, μπορεί αθροιστικά να βοηθούν στη διατήρηση της θερμοκρασίας της κορώνας.

Για τη μελέτη, οι ερευνητές έστειλαν τέσσερις αλληλεπικαλυπτόμενες δέσμες λέιζερ σε πλαστικό στόχο με λεπτή κυματιστή επιφάνεια, στη διάταξη Shenguang-II στη Σανγκάη. Οι παλμοί διήρκεσαν ένα δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου και μετέτρεψαν το υλικό του στόχου σε πλάσμα.

Καθώς το πλάσμα διαστελλόταν προς τον πολύ αραιότερο αέρα γύρω του και επιβραδυνόταν, οι κυματισμοί στο όριο μεγάλωσαν και σχημάτισαν δομές σαν δάχτυλα και μανιτάρια. Η συμπεριφορά αυτή είναι γνωστή ως αστάθεια Rayleigh–Taylor.

Το πλάσμα δημιούργησε επίσης δικά του μαγνητικά πεδία γύρω από αυτές τις δομές, με γειτονικές περιοχές να φέρουν πεδία σε αντίθετες κατευθύνσεις. Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι η επέκταση των δομών έφερνε αυτά τα πεδία κοντά, επιτρέποντας τη μαγνητική επανασύνδεση και τη θέρμανση του περιβάλλοντος πλάσματος.

Για σύγκριση, η ομάδα επανέλαβε το πείραμα με επίπεδο πλαστικό στόχο. Τότε η ροή του πλάσματος ήταν πιο ομαλή και δεν σχηματίστηκαν οι δομές που μοιάζουν με δάχτυλα.

Αναλύοντας τις ακτίνες Χ που εξέπεμψε το πλάσμα, οι ερευνητές υπολόγισαν τη θερμοκρασία των ηλεκτρονίων του. Με τον κυματιστό στόχο, η μέγιστη θερμοκρασία έφτασε το ισοδύναμο περίπου των 820.000 °C. Με τον επίπεδο στόχο, η τιμή ήταν περίπου η μισή.

Σε ξεχωριστή προσομοίωση, όπου δεν επιτρεπόταν η δημιουργία μαγνητικών πεδίων, η πρόσθετη θέρμανση σε μεγάλο βαθμό εξαφανίστηκε, κάτι που ενισχύει τον ρόλο τους.

Στον Ήλιο, παρόμοιες συνθήκες θα μπορούσαν να προκύψουν όπου σχετικά ψυχρό και πυκνό πλάσμα πέφτει μέσα από την περιβάλλουσα ατμόσφαιρα. Το φαινόμενο αυτό, που ονομάζεται coronal rain, θα μπορούσε να δημιουργεί όρια όπου αναπτύσσεται η αστάθεια.

Το πείραμα δίνει στους επιστήμονες έναν τρόπο να μελετήσουν διεργασίες που είναι υπερβολικά μικρές και γρήγορες για να παρατηρηθούν καθαρά στον Ήλιο. Μπορούν έτσι να δοκιμάσουν ποιες συνθήκες φέρνουν κοντά τα μαγνητικά πεδία και πόσο αποτελεσματικά η εκλυόμενη ενέργεια θερμαίνει το πλάσμα.

Το εργαστηριακό πλάσμα ήταν πολύ πιο πυκνό και η διαδικασία εξελίχθηκε σε πολύ μικρότερη χρονική κλίμακα από ό,τι στις ηλιακές nanoflares. Οι ερευνητές συνέκριναν βασικές φυσικές αναλογίες για να εκτιμήσουν ποια στοιχεία μπορούν να ισχύουν για την κορώνα, αλλά η διάταξη δεν αναπαρήγαγε τη συνολική συσσώρευση μαγνητικής ενέργειας που συμβαίνει στον Ήλιο.

Τα ευρήματα στηρίζουν έναν μηχανισμό που μπορεί να συμβάλλει στη θέρμανση της κορώνας. Ωστόσο, θα χρειαστούν επιπλέον παρατηρήσεις και πειράματα για να φανεί πόσο συχνά λειτουργεί στον Ήλιο και πόση από τη θέρμανση προσφέρει.