7 Minutės
Nauji artimi matavimai, gauti NASA Parker Solar Probe zondo, atskleidžia, kad Saulės Alfveno paviršius — nematoma riba, kurioje saulės vėjas nutraukia ryšį su žvaigždės magnetiniu lauku — plečiasi ir tampa aštresnės, smaigališkos formos, kai kinta saulės aktyvumas. Tiesioginis šios ribos kartografavimas patvirtina ilgai teorijų prognozuotus modelius ir suteikia aiškesnį langą į procesus arti Saulės, svarbius plazmos ir magnetinės dinamikos tyrimams.
Mapping the Sun's magnetic frontier
Alfveno paviršius yra ta erdvės sritis, kurioje su saulės vėju judančios įkrautos dalelės pasiekia greitį, leidžiantį joms įveikti Saulės magnetinio lauko suvaržymą. Kitaip tariant, tai ta vieta, kur dalelių srauto greitis viršija vietinį Alfveno greitį ir magnetinė įtaka nuo to momento tapati mažiau lemiama dalelių judėjimui. Iki Parker zondo priartėjimų mokslininkai šią ribą galėjo tik numanyti pagal tolimus stebėjimus ir teorinius modelius; dabar aukštos raiškos, pakartotiniai priartėjimai pateikia tiesiogines erdvines nuorodas apie ribos geometriją.
Daugkartiniai perihelio praskridimai, kurių metu zondas surinko detalizuotus magnetinio lauko, plazmos tankio ir dalelių greičio duomenis, parodė, kad Alfveno paviršius nėra statinis sferinis apvalkalas. Jis auga, plečiasi ir tampa nereguliarios formos, su ryškiai išsikišančiais protrūkimais, kurie evoliucionuoja priklausomai nuo saulės ciklo fazės. Šios struktūros atspindi lokalias plazmos sąlygas, magnetinio lauko stiprumo skirtumus ir srautų dinamiką arti Saulės.
Tokia morfologija — didėjantis atstumas iki ribos ir vietiniai smaigaliai ar kanopos — atitinka teorinius modelius, kurie prognozavo, kad Alfveno paviršius taps labiau „iššokantis“ kai saulės aktyvumas intensyvėja, o vėliau suaktyvėjimo sumažėjimu dalis išlinkimų gali susitraukti. Dėl šių formų kintamumo svarbu turėti erdviniuose laiko tarpuose rezoliucingus matavimus, leidžiančius suprasti, kaip magnetinės struktūros, plazmos srautai ir energijos perdavimas sąveikauja arti žvaigždės.
Be to, nauji duomenys padeda aiškiau identifikuoti, kuriuos fizinius mechanizmus reikia įtraukti į skaitmeninius modelius: magnetinės rekonekcijos epizodai, smūginės bangos, srautinės gradientinės struktūros ir turbulencijos lygis plazmoje. Visa tai turi tiesioginę reikšmę simuliacijoms, skirtoms saulės vėjo susidarymui ir evoliucijai prognozuoti.
„Mes tikėjomės, kad riba taps ir didesnė, ir labiau smaigalėta, kai saulės aktyvumas didės ar mažės“, — sako Badman, vienas iš projekto tyrėjų. „Parker zondo stebėjimai leido mums kartografuoti šiuos pokyčius ir tiesiogiai susieti juos su vietinėmis plazmos bei magnetinėmis sąlygomis.“
Why this discovery matters beyond the Sun
Tiksli žinojimas, kur magnetinė įtaka baigiasi, yra kertinis momentas kuriant fizinius modelius saulės vėjo formavimuisi, erdvės oro (space weather) prognozavimui ir energetinių dalelių sklidimo per heliosferą modeliavimui. Alfveno paviršius žymi skirtį tarp regiono, kuriame magnetinė sritis kontroliuoja plazmą, ir regiono, kuriame inercija ir srauto dinamika tampa dominuojančios — tai fundamentali informacija abejuose mąstuose, nuo vietinės heliosferos iki viso galaktinio poveikio dalelių transportui.
Supratimas apie šios ribos elgseną ypač svarbus, kai kalbame apie aukštos energijos dalelių sklidimą: pro Alfveno paviršių peržengiančios dalelės lengviau plinta per heliosferą, o tai lemia spinduliuotės lygius, kurie veikia astronautų saugumą, palydovus ir technologijas Žemės orbitoje bei toliau. Todėl pažangios erdvės oro prognozės turi remtis patikimomis, erdviškai ir laike tikslinėmis ribos kartografijomis.
Analogiškai kitiems žvaigždžių tipams — ypač stipriai magnetizuotoms žvaigždėms ar aktyvioms jaunos žvaigždės stadijoms — Alfveno riba gali pasiekti žymiai didesnius atstumus į aplinkinę erdvę. Išplėstas magnetinis pasiekiamumas gali paveikti planetas, kurios skrieja arti savo žvaigždžių: padidėjęs dalelių srautas gali sukelti atmosferos eroziją, pakeisti cheminių reakcijų pusiausvyrą arba sumažinti planetos paviršiaus gyvybingumą ir habitabilumo perspektyvas.
Todėl išsamus Alfveno paviršiaus kartografavimas turi tarpdisciplininę reikšmę: astrofizikai, planetologai, eksoplanetų tyrėjai ir erdvės oro specialistai gali naudoti šią informaciją kuriant platesnius modelius apie žvaigždės ir planetos tarpusavio poveikį. Tai padeda aiškiau atsakyti į klausimus, susijusius su atmosferos išliejimu, magnetosferos funkcionavimu ir ilgalaike planetos aplinkos kaita.
How Parker measured the boundary
Parker Solar Probe nuolat atrenka plazmos tankio, srauto greičio ir magnetinio lauko stiprumo duomenis pakartotiniuose priartėjimuose prie Saulės. Šie instrumentai renka momentines vietines vertes, leidžiančias identifikuoti taškus, kuriuose dalelių greitis tampa didesnis už vietinį Alfveno greitį. Alfveno greitis priklauso nuo magnetinio lauko stiprumo ir plazmos tankio, todėl lygiagrečiai stebint B-lauko komponentes ir elektronų/ionų tankį įmanoma apskaičiuoti, kur vyksta perėjimas iš magnetiškai kontroliuojamos į plazmos inerciją valdytą sritį.
Parker zonde montuoti aukštos jautrumo instrumentai — tarp jų FIELDS, skirtas magnetinio lauko ir elektrinių laukų matavimams, bei SWEAP, fiksuojantis plazmos dalelių skaičiaus tankį ir greičius — suteikia duomenų kombinaciją, reikalingą Alfveno ribos identifikavimui. Analizės metu mokslininkai ieško nuoseklių perėjimų, kai greičio komponentai peržengia skaičiavimo ribas, ir daro koreliacijas su vietinėmis plazmos svyravimų, turbulencijos lygio ar magnetinio slėgio pokyčiais.
Be to, laiko serijų analizė leidžia sukurti laike kintančią, erdviškai rezoliucingą Alfveno paviršiaus žemėlapį. Kombinuojant praskridimų metu įgytus momentinius duomenis su kitų instrumentų ir bendrų heliosferos modelių prognozėmis, tyrėjai gali atsekti ribos evoliuciją ir susieti ją su platesniais saulės aktyvumo ciklais. Šie metodai garantuoja, kad Alfveno paviršiaus nustatymas remiasi tiek tiesioginiais matavimais, tiek fizinėmis sąsajomis su magnetinės plazmos dinamika.
Tolesni Parker priartėjimai ir planuojami instrumentų pakartotiniai kalibravimai leis pagerinti laiko tarpsnių aprėptį bei sumažinti matavimo netikslumus. Ypač svarbu rinkti duomenis per skirtingas saulės ciklo fazes — įskaitant artėjantį saulės minimumą — kad būtų galima patikslinti modelius apie tai, kaip Alfveno paviršius transformuojasi skirtingų magnetinių aktyvumo sąlygų metu.
Broader implications and next steps
Patvirtintas Alfveno paviršiaus išsiplėtimas ir padidėjusi nereguliarumo laipsnis patvirtina teorinius spėjimus ir suteikia praktinį pagrindą būsimiems vidinio heliosferos misijoms. Šie rezultatai pabrėžia, kad in situ matavimai arti žvaigždės yra būtini norint suprasti magnetinės plazmos fizikos mechanizmus, tokius kaip energijos perkėlimas, turbulencija ir magnetinės rekonekcijos epizodai.
Ateityje tarptautinės misijos, tokios kaip Solar Orbiter ir tolesni projektai, galės integruoti šiuos atradimus tam, kad koordinuotai stebėtų Alfveno ribos elgseną skirtinguose spacialiuose ir laiko mastuose. Derinant Parker zondo duomenis su kito tipo stebėjimais — optiniais, UV ir rentgeno spektrometrais — gaunamos platesnės įžvalgos apie saulės koronos sąlygas, iš kurių išsiskiria saulės vėjas.
Praktiniu požiūriu, pagerinus Alfveno paviršiaus kartografijas, bus įmanoma kurti tikslesnes erdvės oro prognozes, kurios sumažins technologinę riziką palydovams, pagerins astronautų apsaugą ir leis geriau numatyti ryškias radiacijos bangas. Moksliškai tai atveria neįkainojamą laboratoriją, kur galima testuoti plazmos fizikos principus realiomis sąlygomis, kurios iki šiol buvo prieinamos tik teorijoje arba laboratorinėse simuliacijose.
Galiausiai, šie atradimai padeda suformuluoti svarbius klausimus ir hipotezes apie kitų žvaigždžių planetinių sistemų aplinką ir galimybę palaikyti gyvybę. Alfveno ribos savybės, jos kintamumas ir ryšys su žvaigždės magnetiniu aktyvumu yra esminiai veiksniai, kurie turi būti įvertinti vertinant egzoplanetų atmosferų išlikimą, magnetosferų efektyvumą ir bendrą habitabilumo kontekstą.
Apibendrinant, Parker Solar Probe teikia pirmuosius įrodymus, parodančius, kad Alfveno paviršius yra dinamiška, priklausoma nuo saulės ciklo struktūra, kuriai būdinga didelė erdvinė įvairovė. Tolimesni tyrimai ir daugiapolių matavimų analizė leis ne tik geriau modeliuoti saulės vėjo kilmę ir plitimą, bet ir užtikrinti, kad žmogiškosios veiklos erdvėje būtų pagrįstos pažangios ir patikimos erdvės oro prognozės.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą