Telescopul solar Inouye a capturat vortexuri magnetice miniaturale de pe suprafața solară
Prima privire: Micile vârtejuri de plasmă magnetizată de pe suprafața soarelui au fost captate cu detalii clare pentru prima dată, oferind oamenilor de știință o privire directă asupra unei instabilitate prezisă de mult timp care ar putea ajuta la explicarea modului în care soarele stochează și eliberează energie. Folosind Telescopul Solar Daniel K. Inouye de la National Science Foundation de pe Maui, o echipă internațională a înregistrat cele mai înalte imagini ale fotosferei solare până în prezent. În acele imagini, au găsit câmpuri dense de structuri mici, asemănătoare vortexului, de-a lungul marginilor regiunilor magnetice.
Tiparele se potrivesc cu ceea ce fizicienii se așteaptă de la instabilitatea Kelvin-Helmholtz, un efect de forfecare observat în multe fluide și plasme, dar nerezolvat anterior la o scară atât de fine pe suprafața vizibilă a soarelui. Rezultatele sunt detaliate într-o nouă lucrare din Nature, bazată pe oglinda de 4 metri (13 picioare) a telescopului și optica avansată care poate rezolva caracteristici de doar zeci de kilometri lățime.
Echipa s-a concentrat pe o zonă activă magnetic din apropierea unei pete solare, unde celulele de convecție sau granulele se ridică și se scufundă în mod constant, iar câmpurile magnetice sunt concentrate. În secvențe time-lapse, ei au identificat multe vortexuri strâns distanțate la granițele acestor petice magnetice.
Distanța dintre vârtejuri – lungimea de undă de instabilitate – a scăzut între 50 și 65 de kilometri (31 până la 40 de mile) atât în datele telescopului, cât și în modelele numerice, o potrivire strânsă care susține ideea că structurile sunt caracteristici de plasmă autentice, nu artefacte.
Instabilitatea Kelvin-Helmholtz apare atunci când straturile vecine de fluid sau plasmă se mișcă la viteze diferite, creând forfecare la interfață. Micile perturbări se transformă în mișcări în formă de valuri sau în spirală care pot arăta ca valuri care se sparg pe apă sau benzi curbe în nori.
Oamenii de știință au documentat efectul în atmosfera Pământului și oceane, în atmosferele giganților gazoși precum Jupiter și Saturn și în interacțiunea vântului solar cu câmpurile magnetice planetare. Pe soare, a fost prezis și sugerat în coroana exterioară, dar confirmarea directă în fotosferă a necesitat rezoluția disponibilă acum de la Telescopul Solar Inouye.
„Nu a fost observat niciodată la acel nivel pe suprafața solară”, a spus coautorul studiului Friedrich Wöger, un om de știință senior la Observatorul Național Solar.
Pentru a-și verifica rezultatele, cercetătorii au comparat imaginile telescopului cu simulări magnetohidrodinamice de înaltă rezoluție ale fotosferei folosind codul MURaM. Aceste simulări, dezvoltate de echipele Observatorului NSF NCAR High Altitude și Institutul Max Planck pentru Cercetarea Sistemului Solar, rezolvă fizica de bază a fluxului de plasmă, radiației și câmpurilor magnetice. Atât în datele simulate, cât și în cele observate, modelele asemănătoare marginilor la granițele magnetice s-au transformat în structuri învolburate similare, cu distanță și mișcare comparabile.
Lucrarea sugerează că aceste mici vârtejuri pot juca mai mult decât un rol local. Structurile Kelvin-Helmholtz pot amesteca eficient plasma magnetizată și nemagnetizată, accelerând difuzarea câmpurilor magnetice prin atmosfera solară inferioară.
Analiza indică faptul că mini-vârtejurile ajută la răspândirea fluxului magnetic spre exterior de la marginile granulelor, un proces care ar putea alimenta modelele dinamului solar și ale ciclului magnetic de 11 ani al soarelui.
Dr. David Kuridze, astronom la Observatorul Național Solar, explică că câmpul magnetic al soarelui provine din procesele dinam care transformă rotația stelei în energie magnetică, dar acea energie trebuie să se răspândească rapid pentru a se potrivi cu ciclul solar relativ scurt de 11 ani. El spune că modelele actuale au probleme în a explica cât de repede se întâmplă acest lucru și că instabilitatea Kelvin-Helmholtz găsită în fotosferă ar putea fi o sursă importantă a difuziei magnetice suplimentare care a lipsit din aceste explicații.
Descoperirile se leagă, de asemenea, de întrebări despre încălzirea coronală și evenimentele explozive, cum ar fi nano-exploziile, erupțiile mari și ejecțiile de masă coronală. O idee principală, numită împletitură de flux, susține că liniile câmpului magnetic sunt răsucite și împletite de mișcările subiacente până când se reconecta și eliberează energia stocată.
Ceea ce a fost neclar este modul în care această răsucire este condusă la scară mică. Deoarece noile vortexuri apar oriunde câmpurile magnetice puternice se întâlnesc cu fluxurile de forfecare de la granulare, echipa susține că acestea pot acționa ca un motor constant, împingând răsucirea în câmpul magnetic și ajutând la mișcarea energiei în sus.
În continuare, oamenii de știință intenționează să folosească instrumente automate de recunoaștere a modelelor pentru a urmări semnăturile Kelvin-Helmholtz în seturi mai mari de date de la telescopul Inouye. Prin efectuarea de observații pe termen lung, cu cadență ridicată prin acești algoritmi, ei speră să măsoare câtă energie transportă instabilitățile în straturile superioare ale atmosferei solare și cât de mult afectează difuzia câmpului magnetic în timp.
Se așteaptă că aceste rezultate vor rafina modelele de vreme spațială utilizate pentru a anticipa erupțiile și ejecțiile de masă coronală care pot perturba rețelele electrice, sateliții, GPS-ul și comunicațiile.
