Közel merészkedett a Naphoz a NASA űrszondája, hihetetlen dolgot látott

A Parker Napszonda kevesebb mint 21 millió kilométerre megközelítette a Napot, hogy megfigyelje a gyors napszél keletkezését. Kiderült: ezek a nagyenergiájú részecskeáramok a napfelszínhez közel zuhanyrózsából kiinduló vízsugarakra hasonlítanak.

Mint a zuhanyrózsából kizúduló víz

A NASA Parker Napszondája eléggé megközelítette a Napot ahhoz, hogy tanulmányozza a napszél finomszerkezetét rögtön a forrásánál, a csillag felszínén. Ezáltal olyan részletekre derített fényt, amelyek elvesznek, mikor a napszél immár töltött részecskék egyenletes zuhatagaként elhagyja a napkoronát.

Olyasmi látvány tárult a napszonda elé, mintha a zuhanyrózsából kilépő vékony vízsugarakkal néznénk szembe, miközben az arcunkba zúdul a víz.

A Kaliforniai Egyetem Berkeley kampuszának tanára, Stuart D. Bale fizikusprofesszor és a Marylandi Egyetemen dolgozó James Drake által jegyzett, a Nature-ben frissen megjelent közleményükben arról számolnak be, hogy a Parker-szonda nagyenergiájú részecskékből álló áramlatokat mutatott ki, amelyek megfeleltethetők a koronalyukakon belüli szupergranulációs áramoknak, s ebből azt valószínűsítik, hogy ezek a területek bocsátják ki az ún. "gyors" napszelet.

A koronalyukak azok a régiók a napfelszínen, ahonnan önmagukba vissza nem záródó, vagyis zárt hurkot nem alkotó mágneses erővonalak lépnek ki a Napből. Ezek a nyitott erővonalak kifelé terjedve csaknem a teljes Nap körüli teret kitöltik. A koronalyukak a Nap nyugalmi periódusaiban a sarkok körül tartózkodnak, ezért ilyenkor az általuk generált gyors napszél nem a Föld felé irányul. Azonban a Nap 11 évente aktivizálódik, amikor a pólusai átfordulnak. Ilyenkor a felszínén mindenütt megjelennek a koronalyukak, és a belőlük kiáramló gyors napszél könnyűszerrel telibe találhatja a Földet is.

Annak megértésével, hogy a gyors napszél miként és honnan ered, megjósolhatjuk a napviharokat,

amelyek ugyan gyönyörű sarkifény-parádéval örvendeztetnek meg bennünket,

ám közben komoly károkat tehetnek az űreszközökben, és megbolondíthatják a földi elektromos hálózatot.

„A napszél rengeteg információt szállít a Napról a Földre, ezért a keletkezési mechanizmusának megértése egészen gyakorlati szempontok miatt is hasznos – hangsúlyozta Drake. – Megtudhatjuk például, hogyan szabadul fel a Napból az az energia, amely a kommunikációs hálózatainkat veszélyeztető földmágneses viharokat okozza."

Naptevékenység illusztrációja Forrás: Science Photo Library via AFP/MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Mark Garlick/Science Photo Libra

Mi táplálja a napszelet?

A csoport elemzése szerint a koronalyukak nagy vonalakban egy zuhanyrózsához hasonlítanak: egymástól nagyjából egyenlő távolságra elhelyezkedő fényes pontokból törnek fel a részecskeáramok, ott, ahol a ki- és belépő, tölcsérszerűen széttáruló mágneses térerővonalak metszik a napfelszínt. A tudósok úgy vélik, hogy ahol ezekben a csaknem 30 ezer kilométer átmérőjű tölcsérekben az ellentétes irányú mágneses erővonalak elhaladnak egymás mellett, a mezők gyakran megszakadnak, majd újracsatlakoznak, s eközben nagy energiával lövellik ki a Napból a töltött részecskéket.

„A nap fotoszférájának felszínén – mint egy fazék zubogó vízben – konvekciós cellák alakulnak ki, és a nagyobb léptékű konvekciós áramlatokat nevezik szupergranulációnak – magyarázza Bale. – Ahol ezek a szupergranulációs cellák egymással érintkezve alábuknak, alárántják magukkal a lefelé szűkülő tölcsérbe a mágneses mezőt. A mágneses mező ott nagyon felerősödik, hiszen kis helyre szorul, úgy, mint amikor a kád vize egyszerre csak összefut a lefolyóban. Ezeknek az egyedi tölcséreknek vagy lefolyóknak az egyenletes térbeli elrendeződése az, ami most a napszonda által küldött adatokból kirajzolódik."

A napszonda által detektált extrém nagyenergiájú részecskék jelenléte alapján, amelyek a napszél átlagánál akár 10-100-szor is gyorsabban száguldanak, a kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy a gyors napszelet a mágneses újrakapcsolódás néven ismert jelenségnek kell táplálnia. A 2018-ban útnak indított Parker-szonda egyik fő küldetése az volt, hogy döntsön a napszél nagyenergiájú részecskéinek eredetét magyarázó, egymással versengő elméletek ügyében. A fizikusok a mágneses újrakapcsolódás mellett egy másik teóriát is felvetettek lehetséges magyarázatként:

a plazma általi gyorsítást, más néven az Alfvén-hullámokat.

„Az átfogó következtetésünk az, hogy a tölcsérszerű struktúrákban végbemenő mágneses újrakapcsolódás szolgáltatja az energiát a gyors napszélhez – szögezte le Bale. – A gyors napszél nem csak úgy mindenhonnan fúj a koronalyukakból, hanem a koronalyukakon belül a szupergranulációs sejtekhez mint alstruktúrákhoz köthető. Ezekből a mágneses energiakötegekből ered tehát, amelyek a konvekciós áramlásokkal kapcsolatosak. Eredményeink, úgy véljük, egyértelműen alátámasztják, hogy az újrakapcsolódás felelős ezért."

A tölcsérstruktúrák pedig valószínűleg azoknak a fényes anyagnyaláboknak felelnek meg, amelyeket a Földről is látni a koronalyukakon belül – amint azt a mostani cikk egyik társszerzője és a Johns Hopkins Egyetem Alkalmazott Fizikai Laboratóriumának (Applied Physics Laboratory, APL) munkatársa, Nour Raouafi egy közelmúltban megjelent cikkében már leírta. A Parker Napszondát az APL tervezte, építette és üzemelteti, és Raouafi a napszondának dedikált projektcsoport egyik tudósa.

Mire a napszél eléri Földünket, már 150 millió kilométert utazott a világűrben, és eddigre homogén, turbulens áramlattá alakul, amelynek mágneses terében mintegy hordalékként töltött részecskék gomolyognak. E töltött részecskék aztán kölcsönhatásba lépnek a Föld saját mágneses mezejével, és a felső légkörben adják le energiájukat. Az így keletkező gerjesztett atomoknak köszönhetjük a sarkok körül megfigyelhető színpompás fényjelenségeket, de a napszél hatásai nem állnak meg a magasban, hanem a Föld légkörének alacsonyabb rétegeit is elérik.

A Napból kiinduló napszél Forrás: NASA/Wikipedia

A naptevékenység figyelése

A legerősebb, napviharnak nevezett napszéltevékenység megjóslása a célja a NASA „Living With a Star" (Együttélés a csillagunkkal) missziójának, amely a Parker-szonda küldetését is finanszírozza.

A szondát arra tervezték, hogy a segítségével választ kapjunk a kérdésre, hogyan néz ki ez a turbulens szél a forrásánál, a Nap felszínének közelében, vagyis a fotoszférában, illetve hogy miként gyorsulnak fel annyira a napszél töltéssel rendelkező részecskéi – protonok, elektronok és nehezebb ionok, elsősorban hélium-atommagok – annyira, hogy meg tudjanak szökni a Nap gravitációs vonzásából.

Ahhoz, hogy e küldetését teljesíteni tudja, a Parker-szondának 15 napátmérőnél kisebb távolságra, vagyis 21 millió kilométernél közelebbre kellett merészkednie a Naphoz. „Ez alatt a magasság alatt a napszél még nem formálódik át annyira, jobban megtartja struktúráját, így még őrzi a lenyomatát annak, ami a Napban történik" – fejtette ki Bale.

2021-ben a Parker-szonda műszerei mágnesmező-hurkokat észleltek az Alfvén-hullámokban, amelyek láthatólag a napszelet kibocsátó területekhez kapcsolódtak. Ameddigre a Parker 6 napátmérőnyire – mintegy 8.4 millió kilométerre – megközelítette a napfelszínt, egyértelművé vált, hogy a szonda anyagpászmákon halad át, nem pusztán turbulencián. Bale, Drake és munkatársaik ezeknek a pászmáknak az eredetét a fotoszféra szupergranulációs celláihoz tudta visszavezetni, ahol a mágneses mezők meredek tölcséreket alkotva csatornázódnak be a Napba.

Az viszont még mindig nem volt világos, hogy vajon e tölcsérekben a mágneses újrakapcsolódás az, amely felgyorsítja és kilövi a töltött részecskéket, vagy a Napból kiáramló forró plazma – ionizált részecskék és mágneses mezők – hullámai teszik velük ugyanezt, mintegy hullámlovasként felkapva őket.

A Parker-űrszonda megközelíti a Napot Forrás: AFP/Ho

Abból a tényből, hogy a Parker-szonda az anyagpászmákban extrém energiadús – a legtöbb napszélrészecske néhány kiloelektronvoltos (keV) energiájához képest 10-100 keV energiájú – részecskéket észlelt, Bale arra következtetett, hogy

a mágneses újrakapcsolódás gyorsítja fel a részecskéket és generálja az Alfvén-hullámokat, amelyek így csak még egy extra lökést adnak a részecskéknek.

„Értelmezésünk szerint az újrakapcsolódás keltette anyagpászmák Alfvén-hullámokat gerjesztenek, ahogy kilépnek – folytatta Bale. – Ez a jelenség a Föld mágneses csóvájából is jól ismert, ahol hasonló folyamatok játszódnak le. Azt nem értettem volna, hogy a hullámok meglovaglása önmagában hogyan gyorsíthatná ezeket a forró részecskéket több száz keV-ra, de ugyanez a mágneses újrakapcsolódásból természetes úton következik. Sőt, a szimulációinkban is ugyanezt látjuk."

A Parker-szonda 4.4 napátmérőnél nem juthat közelebb a Naphoz anélkül, hogy a műszerei oda ne pörkölődnének. Bale azt reméli, hogy az e magasságnál küldött adatokkal még meg tudják erősíteni a jelenlegi elméletüket, bár Napunk épp közeledik aktivitásmaximumához, amikor a tevékenysége jóval kaotikusabbá válik, s ez elfedheti azt, amit a kutatók látni szeretnének.

„A napszonda-misszió elindításakor volt némi aggályoskodás afölött, vajon van-e teteje épp a napciklus legnyugodtabb, legunalmasabb fázisában felküldenünk a szondát – meséli Bale. – Azonban ha nem így tettünk volna, sosem tudjuk meg azt, amit így megtudtunk. Egyszerűen túl zűrös lett volna a kép. Azt hiszem, végül is nagy szerencse, hogy épp a napminimum idején indítottuk a missziót."