8 Minutės
Saulė nėra paprasta krosnis; tai dinamiškas, magnetinis plazmos vandenynas, kuris verčia mokslininkus nuolat diskutuoti, peržiūrėti modelius ir kartais perrašyti vadovėlių skyrius. Parkerio Saulės zondo artimiausi susidūrimai pateikė tyrėjams žalius matavimus iš saulės kaimynystės — duomenis, kurie verčia iš naujo apmąstyti, kaip saulės vėjas įgyja energiją ir šauna tolyn į kosmosą. Saules krašto jutikliai (Solar Limb Sensors) visame zonde gali nustatyti, ar paviršius gauna per daug saulės spindulių. Jei vienas iš jutiklių registruoja per didelę šviesą, zondas apsprendžia geriausią manevrą, kad perkeltų save į saugesnę padėtį. Šis terminis ir operacinis valdymas yra esminis elementas, leidžiantis instrumentams ištverti arti žvaigždės esančias ekstremalias sąlygas, tuo pačiu renkant neįkainojamus duomenis apie plazmos dinamiką.
Tiriant tašką be grįžimo
Kaip mokėjimo krūvinių dalelių srovė, gimusi netoli matomo saulės paviršiaus, tolstanti tampa karštesnė ir greitesnė? Tas paradoksas — vėsesnės sluoksniai apačioje, o ultra-karšta korona aukščiau — dešimtmečiais kankina saulės fizikų galvas. Parkerio Saulės zondas ne tik apčiuopia šios paslapties paviršių; jis leidžiasi į regioną, kuriame saulės vėjas nutraukia ryšius su žvaigždės magnetiniu valdymu.
Šis regionas yra daugiau nei ribinė linija diagramoje. Tai vieta, kur magnetiniai laukai sukaistėja, bangos perneša virpesius per krūvines daleles, o energija kartais grėsmingai keičiama iš laukų į daleles. Per pasikartojančias artimas praskrendas, kurios pasiekė viršūnę 2024 m. Kalėdų išvakarėse — kai zondas priartėjo maždaug 3,8 milijono mylių (apie 6,1 milijono km) prie saulės paviršiaus — Parkeris išsamiai išmėgino plazmos aplinką taip, kaip niekada anksčiau. Šie matavimai atskleidžia detales apie dalelių greičius, jų kryptiškumą ir energijos pasiskirstymą, kurių senesnės, supaprastintos prielaidos negalėjo užfiksuoti. Tokie įrašai leidžia sieti mažo masto procesus su didelio masto heliosferos elgsena.
Ši menininko vizija vaizduoja saulės atmosferos ribą, žyminčią tašką be grįžimo medžiagai, kuri ištrūksta iš saulės magnetų gaudymo. Gilūs praskridimai per šį plotą, naudojant NASA Parkerio Saulės zondą kartu su saulės vėjo matavimais iš kitų palydovų, leido mokslininkams sekti šios struktūros evoliuciją per saulės ciklą ir sudaryti žemėlapį šiai anksčiau nepažymėtai ribai. Šis žemėlapis padeda susieti vietinius plazminius procesus su stebėtomis erdvės oro sąlygomis tolimesniuose atstumuose.
Iš žalių dalelių pasiskirstymų į realią fiziką
Iki šiol dauguma modelių traktuodavo dalelių populiacijas kaip tvarkingas, idealizuotas formas — matematikos patogumus, kurie leidžia lygtims būti sprendžiamoms, bet praleidžia netvarkingą realybę. Naujas požiūris priima šią netvarką: tyrėjai analizuoja faktines greičio pasiskirstymo funkcijas, kurias užfiksavo zondas. Tai svarbu, nes energijos perdavimas iš elektromagnetinių bangų į daleles priklauso nuo tokių smulkiai išskirtų detalių ir nuo asimetrijų tarp skirtingų dalelių rūšių.
Kristopheris Kleinas (Kristopher Klein), vadovavęs analizei, aiškiai paaiškina pokytį: „Mes ilgai įtarėme nuolatinį kaitinimą plečiančiame saulės vėjuje, tačiau tiesioginis matavimas, kaip šis kaitinimas vyksta arti saulės, pakeičia diskusiją.“ Jų komanda sukūrė skaitinį įrankį pavadinimu ALPS, tai yra Arbitrary Linear Plasma Solver (liet. Įvairialypis linijinis plazmos sprendiklis), kuris skaito pasiskirstymo funkcijas tokias, kokios jos yra, ir suskaičiuoja, kaip bangos plinta ir slopsta realioje plazmoje. ALPS leidžia pereiti nuo idealizuotų prielaidų prie tiesioginių stabilumo ir bangų sąveikos skaičiavimų.
Slopinimas. Šis žodis kartojasi, nes jis nurodo į ką nors esminio. Kai dalelės teka nuo saulės, tikėtina, kad jos greitai atšaltų tik dėl išsiplėtimo į kosmosą. Tačiau Parkerio duomenys rodo lėtesnį atšalimą — ženklą, kad bangos ir nestabilumai perneša ir nuolat įneša energiją į daleles jų tekėjimo metu. ALPS leidžia mokslininkams kiekybiškai įvertinti šį energijos įnešimą, sekant, kurios dalelių rūšys (elektronai, protonai, sunkesni jonai) gauna kiek energijos ir per kokius mechanizmus. Tai yra svarbu norint suprasti, kurios fizikinės reakcijos dominuoja skirtingose heliosferos dalyse.
Kodėl tai svarbu Žemei
Gali kilti pagunda laikyti šiuos atradimus tolima astrofizine smulkmena. Tai netiesa. Heliosfera — burbulas, kurį išpučia saulės ištekėjimas — valdo erdvės oro sąlygas visoje Saulės sistemoje. Koroninės masės išmetimai (CME), staigios magnetinės išsiveržimus, išmetantys milijardus tonų plazmos, keliauja per šią terpę. Būdas, kuriuo saulės vėjas kaitina ir nukreipia energiją, veikia, kaip greitai ir kaip toli šios išsiveržimai keliauja, ir kaip jie sąveikauja su planetų magnetiniais laukais atvykę.
„Supratimas apie saulės atmosferą pagerina mūsų gebėjimą prognozuoti, kaip išsiveržimai sklinda per Saulės sistemą,“ pažymi Kleinas, susiedamas pagrindinį mokslą su realiais rizikos faktoriais: palydovų gedimais, pablogėjusiomis radijo ryšio sąlygomis ir didesniu radiacijos poveikiu aukšto aukščio skrydžiams. Geresni fizikiniai modeliai sumažina neapibrėžtumą erdvės oro prognozėse, o tai yra svarbu palydovų operatoriams, energetikos tinklų valdytojams ir aviacijos maršrutų planuotojams, ypač poliarinėse zonose. Be to, pagerinta prognozė leidžia laiku įgyvendinti apsaugos priemones ir optimizuoti palydovų misijų veikimo periodus ekstremaliomis saulės sąlygomis.
Nauji apribojimai, naujos mįslės
Parkerio stebėjimai neatsako į kiekvieną klausimą — jie juos susiaurina ir detaliau formuluoja. Komanda nustatė, kad energijos disipacija arti saulės nėra vienalytė ir jos nėra lengva priskirti paprastai kategorijai. Kai kurie bangų režimai labai efektyviai perduoda energiją konkrečioms jonų rūšims; kiti sukelia palaipsninį, plačiai paskirstytą kaitinimą. Lėtas atšalimas ar slopinimas, užfiksuotas dalelių temperatūrose, siūlo mišrų mechanizmą: rezonansinės bangų–dalelių sąveikos kartu su turbulentiniu kaskadiniu procesu. Šių indėlių atskyrimui reikia daugiau praeidų, geresnių statistinių duomenų ir kryžminės kalibracijos su nuotolinio stebėjimo teleskopais bei kitais toliau heliosferoje esančiais kosminiais aparatais.
Taip pat yra svarbus atsinešimas astrofizikai už Saulės ribų. Plazmos ir magnetiniai laukai formuoja reiškinius nuo akrecijos diskų aplink juodąsias skyles iki difuzinės dujos tarp žvaigždžių. Jei sugebėsime tiksliai nustatyti, kaip energija disipuoja saulės plazmoje — aplinkoje, kurią galime pasiekti ir tiesiogiai išmatuoti — tą supratimą galėsime perkelti į kontekstus, kur tiesioginis matavimas yra neįmanomas. Tai padeda sukurti universalesnes plazmos fiziką apibūdinančias teorijas ir pagerina modeliavimą atvirose astrofizinėse sistemose.
Misinio eiga ir metodai
Paleistas 2018 metais, Parkerio Saulės zondas grįžta į sudėtingą orbitą, kuri naudoja gravitacinius asistus nuo Veneros, kad palaipsniui susitrauktų jo perihelis. Kiekvienas artimas praskridimas tikslina dalelių greičius, magnetinio lauko svyravimus ir bangų spektrus. In situ dalelių instrumentų derinys su magnetiniais jutikliais ir ALPS sprendėju suteikia komandai būdą paversti žalius impulsų skaičius ir lauko matavimus į kaitinimo intensyvumus ir momento mainų įverčius. Tokiu būdu įmanoma susieti lauko energijos turinį su konkrečių dalelių temperaturomis ir judėjimo momentais.
Šie įrankiai leidžia mokslininkams patikrinti konkuruojančias teorijas: ar kaitinimas dominuoja dėl bežūtinio plazmos bangų slopinimo, dėl magnetinės rekonekcijos įvykių, kurie išmetinėja daleles į naujas trajektorijas, ar dėl turbulentinio kaskado, kuris perneša energiją nuo didelio masto judesių iki mikroskopinių skalės procesų? Atsakymas: kombinacija, kurios santykinė svarba keičiasi priklausomai nuo atstumo nuo saulės ir nuo foninių plazmos sąlygų. Štai kodėl svarbu ne tik vietiniai matavimai, bet ir kontekstas, kuris gaunamas iš sinchronizuotų tolimosios stebėsenos priemonių.
Ekspertų įžvalgos
„Šie matavimai leidžia pereiti už aproksimacijų ir iš tiesų susidurti su tuo, kaip energija teka be susidūrimų plazmoje,“ sako vaizduojamoji vyresnioji heliofizikė Dr. Elena Ramirez, bendradarbiaujanti aiškinant Parkerio duomenis. „Galvokite apie koroną kaip apie perpildytą turgų, kur bangos ir dalelės nuolat susiduria — bet ne per tiesioginius smūgius kaip dujų molekulės. Vietoje to, jos keičiasi energija per rezonansus ir laukus. ALPS yra nauja ausis, sukalibruota girdėti šiuos šnabždesius.“ Jos palyginimas pabrėžia, kodėl tiesioginis mėginimas šaltinyje yra transformuojantis: sąveikos, kurios Žemės orbitoje atrodytų nereikšmingos, arti saulės atsiskleidžia aiškiai.
Tokios ekspertų įžvalgos padeda susieti techninius atradimus su platesnėmis teorinėmis ir taikomosiomis reikšmėmis. Be to, jos skatina tarpdisciplininį bendradarbiavimą tarp plazmos fizikų, instrumentų specialistų ir erdvės oro prognozių komandų, siekiant integruoti naujus rezultatus į veikiančias prognozavimo sistemas.
Pasekmės ir tolesni žingsniai
Praktiniai privalumai jau matomi. Pagerinti modeliai gali susiaurinti klaidos ribą erdvės oro prognozėse, todėl ankstyvieji įspėjimai palydovų operatoriams ir energetikos įmonėms tampa patikimesni. Moksliniu požiūriu šie atradimai reikalauja rafinuotesnių teorijų apie bangų–dalelių sujungimą ir sąlygų, kuriomis skirtingi disipacijos kanalai dominuoja, nustatymą. Tai paskatins naujus eksperimentinius ir skaitmeninius tyrimus, taip pat instrumentų patobulinimus būsimoms misijoms.
Parkerio Saulės zondas tęs savo gilumus per artimiausius metus, tuo tarpu žemės pagrindo ir orbitiniai observatorijai teiks papildomas koronos ir formuojamos heliosferos stebėjimo nuorodas. Šių duomenų rinkinį sudėjus kartu tai prilygsta stereoskopinio vaizdo sudarymui iš anksčiau plokščio, neryškaus vaizdo — staiga struktūros ir judesiai, kurie anksčiau buvo spėjami, tampa matuojamais dydžiais. Tokia integracija reikalaus glaudaus tarpkalitinių instrumentų ir komandų bendradarbiavimo bei pažangių duomenų analizės metodų, kad būtų atskleisti subtilūs fizikiniai ryšiai.
Ir lažybos didelės: Saulė nustato sceną kiekvienai krūvinei daleliai mūsų planetiniame kaimynystėje. Perskaitę naujus to scenos žemėlapius pakankamai kruopščiai, mes mažiau stebimės staigmenomis, kurias Saulė kartais mums siunčia. Tokios žinios ne tik stiprina mūsų mokslinį supratimą apie pagrindines plazmines jėgas, bet ir turi tiesioginę reikšmę infrastruktūros apsaugai, palydovų ir navigacijos sistemų patikimumui bei žmonių saugai aukšto lygiavimo skrydžiuose.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą