9 Minutės
Saulė kaip natūralus dalelių greitintuvas
Saulė nėra tik Šviesos ir šilumos šaltinis Saulės sistemai; ji taip pat veikia kaip natūralus dalelių greitintuvas, paleidžiantis krūvines daleles, kurios keliauja per tarpplanetinę erdvę. Pasinaudodami Europos kosmoso agentūros (ESA) misijos Solar Orbiter duomenimis, mokslininkai dabar suseko greičiausias iš šių dalelių – aukštos energijos elektronus – iki dviejų skirtingų saulės šaltinių. Šis atradimas išsprendžia ilgai trunkančią neaiškumą dėl saulės energinių elektronų (SEE) kilmės ir pagerina mūsų gebėjimą prognozuoti pavojingą kosminę meteorologiją, galinčią paveikti palydovus, astronautus ir žemės infrastruktūrą.
ESA Solar Orbiter parodė, kaip Saulė paleidžia dvi atskiras aukštos energijos elektronų sroves, išsprendžiant pagrindinį mįslę ir pažengiant kosminės meteorologijos apsaugoje. Kreditas: ESA & NASA/Solar Orbiter/STIX & EPD
Misija ir instrumentai: kaip Solar Orbiter susiejo daleles su jų kilme
Solar Orbiter skrenda arčiau Saulės nei dauguma ankstesnių misijų ir turi kruopščiai integruotą nuotolinio stebėjimo bei in situ instrumentų rinkinį. Nuo 2020 m. lapkričio iki 2022 m. gruodžio zondo įrenginiai užregistravo daugiau nei 300 energetinių elektronų įvykių, derindami tiesioginius dalelių matavimus su tuo pačiu metu atliekamais Saulės atmosferos vaizdavimo ir spektroskopijos stebėjimais.
Solar Orbiter tarp 2020 m. lapkričio ir 2022 m. gruodžio užfiksavo daugiau nei 300 „Saulės energinių elektronų“ pliūpsnių. Pirmą kartą aiškiai matome ryšį tarp kosminėje erdvėje esančių energetinių elektronų ir jų šaltinių Saulėje. Energetinius elektronus sukelia du skirtingi šaltiniai: saulės žybsniai (mėlyni taškai) ir koroninės masės išmetimai (raudoni taškai). Saulės žybsniai išskiria greitus energetinių elektronų pliūpsnius, o koroninės masės išmetimai paskleidžia platesnius energetinių elektronų bangavimus palaipsniui. Kreditas: ESA & NASA/Solar Orbiter/STIX & EPD
Tyrimui naudotas duomenų rinkinys apėmė aštuonis iš dešimties Solar Orbiter mokslo instrumentų. Svarbiausi indėliai buvo:
- Energetinių dalelių detektorius (EPD): in situ elektronų srautų ir energijų matavimai, kai Solar Orbiter praskrido per sroves.
- Spektrometras/teleskopas rentgeno spinduliams vaizduoti (STIX): fiksavo rentgeno spindulius, susidarančius, kai energetiniai elektronai trenkiasi į Saulės atmosferą.
- Ekstremaliųjų ultravioletinių spindulių vaizduoklis (EUI) ir koronografas Metis: suteikė kontekstą apie Saulės kilmę – žybsnius, strėles ir koroninius masės išmetimus (KMI).
Sujungę in situ dalelių aptikimą su nuotoliniais Saulės stebėjimais, mokslininkai galėjo nustatyti tiek laiką, tiek vietą, kur elektronai buvo pagreitinti ir kaip jie išsilaisvino į tarpplanetinę erdvę. Kaip pažymi pagrindinis autorius Alexander Warmuth (Leibniz institutas astrofizikai Potsdame), „prisiartinę prie mūsų žvaigždės galėjome išmatuoti daleles palyginti 'švarioje' ankstyvoje būsenoje ir taip tiksliai nustatyti laiką ir vietą, kur jos prasidėjo Saulėje.“
Identifikuotos dvi skirtingos elektronų populiacijos
Pagrindinis rezultatas – aiškus dviejų rūšių Saulės energinių elektronų įvykių atskyrimas:
- Impulsiniai įvykiai, susiję su saulės žybsniais: jie sukuria trumpus, intensyvius aukštos energijos elektronų pliūpsnius, kurie greitai išbėga palei magnetinio lauko linijas. Žybsniai vyksta mažesnėse, labai aktyviose Saulės paviršiaus zonose ir dažnai sukelia siauras strėles bei lokalizuotus rentgeno spindulių šaltinius.
- Palaipsniniai įvykiai, susiję su koroniniais masės išmetimais (KMI): KMI yra milžiniški plazmos ir magnetinio lauko protrūkiai iš Saulės koronos. Jie gali pagreitinti ir injectuoti elektronus lėčiau ir plačiau pagal ilgumas, sukurdami ilgesnio trukmės energetinių dalelių bangavimus.
„Matome aiškų skirtumą tarp 'impulsinių' dalelių įvykių, kur energetiniai elektronai greitai išskrenda nuo Saulės paviršiaus žybsnių metu, ir 'palaipsnių' įvykių, susijusių su plačiau užimančiais KMI, kurie išlaisvina platesnį dalelių bangavimą ilgesnį laiką,“ teigia Alexander Warmuth.
Solar Orbiter šį saulės žybsnį užfiksavo 2022 m. lapkričio 11 d. naudodamas Ekstremaliųjų ultravioletinių spindulių vaizduoklį (EUI) ir rentgeno spektrometrą/teleskopą (STIX). EUI vaizdo medžiaga (geltona) rodo milijoninę laipsnių temperatūrą turinčią dujų masę Saulės atmosferoje. Iš žybsnio į apačią dešinėn išeinantis siauras dujų išmetimas, vadinamas saulės srove (jet), aiškiai matomas įterptėje nuotraukoje. Saulės žybsniai išspindi elektronus tiek į erdvę, tiek į Saulės paviršių. Kai jie pataiko į paviršių, susidaro rentgeno spinduliai. Šis STIX užfiksuotas rentgeno spinduliavimas pažymėtas mėlynai. Kreditas: ESA & NASA/Solar Orbiter/EUI & STIX
Kaip dalelės keliauja: aptikimo vėlavimai ir transporto efektai
Viena nuolatinė mįslė, nagrinėta tyrime, buvo kintamas laiko vėlavimas tarp nuotoliniu būdu pastebėto saulės protrūkio (žybsnio ar KMI) ir energetinių elektronų aptikimo prie zondo. Kartais elektronai pasirodo praėjus valandoms po pradinio saulės įvykio. Solar Orbiter duomenų rinkinys rodo, kad dalis šio vėlavimo nėra intrinziškas Saulės laikotarpis, o kyla dėl transporto efektų saulės vėjo terpėje.
Sklaidymas ir turbulencija heliosferoje
Tarpplanetinę erdvę užpildo saulės vėjas – viršgarsinis plazmos srautas, nešantis Saulės magnetinį lauką. Ši magnetizuota plazma yra turbulentiška: netolygumai ir bangos sklaido krūvines daleles. Kai elektronai skverbiasi tolyn, jie susiduria su magnetine turbulencija, kuri gali pakeisti jų kryptį ir greitį, sukeldama aptikimo delsas ir išlyginant pradinį pliūpsnio signalą.
„Paaiškėjo, kad tai bent iš dalies susiję su tuo, kaip elektronai keliauja per erdvę – tai gali būti delsimas išleidimo metu, bet taip pat ir delsimas aptikimo metu,“ sako ESA mokslo darbuotoja Laura Rodríguez-García. „Elektronai susiduria su turbulencija, yra sklaidomi skirtingomis kryptimis ir panašiai, todėl mes jų neregistruojame iš karto. Šie poveikiai kaupiasi tolstant nuo Saulės.“
Kadangi Solar Orbiter atliko matavimus arčiau Saulės, jis galėjo užfiksuoti elektronus palyginti 'švarioje' būsenoje prieš tai, kai kaupiasi sklaidymo efektai. Lygindami stebėjimus skirtinguose radialiniuose atstumuose, mokslininkai galėjo atskirti šaltinio savybes (žybsnis prieš KMI) nuo transporto efektų heliosferoje.
Mokslinė reikšmė ir pasekmės kosminei meteorologijai
Atpažinti skirtumus tarp žybsnių valdomų ir KMI valdomų elektronų populiacijų turi tiesioginę vertę kosminės meteorologijos prognozavimui. KMI paprastai kelia didesnę grėsmę, nes juose yra daugiau aukštos energijos dalelių ir dažnai susidaro smūgiai, toliau pagreitinantys krūvines daleles. Nustatydami, kuris įvykio tipas generuoja stebimus energetinius elektronus, prognozuotojai gali tiksliau įvertinti dalelių radiacijos epizodų sunkumą ir trukmę.
Svarbu saugoti Žemę. Šis atradimas yra reikšmingas mūsų supratimui apie kosminę meteorologiją, kur tikslus prognozavimas būtinas, kad palydovai ir kitos kosminės priemonės liktų veiksnūs ir saugūs. Vienas iš dviejų SEE įvykių tipų yra svarbesnis kosminei meteorologijai: tas, kuris susijęs su KMI, nes jie paprastai turi daugiau aukštos energijos dalelių ir kelia didesnę žalą. Dėl to gebėjimas atskirti šiuos du energetinių elektronų tipus yra itin svarbus prognozavimui.
„Tokie Solar Orbiter duomenys padės ateityje apsaugoti kitus kosminius aparatus, nes leis geriau suprasti Saulės energetines daleles, keliančias pavojų mūsų astronautams ir palydovams,“ sako Daniel Müller, ESA Solar Orbiter projekto mokslininkas. Tyrimo metu sukurtas duomenų rinkinys formuoja augančią duomenų bazę, kuria pasaulio mokslininkai naudosis tobulindami dalelių pagreitinimo ir sklidimo modelius.
Susijusios technologijos, operatyvinės misijos ir tolimesni žingsniai
Šis tyrimas pabrėžia, kad koordinuota įranga – derinant in situ dalelių detektorius su aukštos raiškos Saulės vaizdavimo ir spektroskopijos instrumentais – leidžia pasiekti proveržius suprantant Saulės dalelių pagreitinimą. Išmoktos pamokos prisideda tiek prie mokslo, tiek prie operatyvinės kosminės meteorologijos infrastruktūros plėtros.
Solar Orbiter šį koroninį masės išmetimą (KMI) užfiksavo 2022 m. lapkričio 19 d. KMI yra milžiniškas milijardų tonų plazmos ir kartu einančių magnetinių laukų protrūkis iš Saulės išorinės atmosferos. Metis instrumentas vaizduoja Saulės išorinę atmosferą uždengdamas ryškų diską, panašiai kaip pilno saulės užtemimo metu. Šioje juostoje Saulės dydį ir padėtį žymi baltas apskritimas. Kreditas: ESA & NASA/Solar Orbiter/Metis
Ateities misijos: Vigil ir SMILE
Dvi būsimios ESA misijos išplės mūsų stebėjimo galimybes:
- Vigil (paleidimas ~2031): veiks žiūrėjimo taške, stebės Saulės rytinį ir vakarinį kraštą (Saulės „šoną“ Žemės atžvilgiu), kad anksčiau aptiktų KMI, galinčius virsti į Žemę nukreiptomis trajektorijomis. Vigil nuolatinis šoninis vaizdas pagerins prognozavimo laiką dėl KMI trajektorijų, greičio ir poveikio tikimybės.
- SMILE (Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer, paleidimas artėja): tiria dinamišką sąveiką tarp saulės vėjo dalelių ir Žemės magnetosferos, paaiškindama, kaip energetinės elektronų srovės ir kiti Saulės išmetimai trikdo mūsų planetos magnetinį skydą.
Šios misijos kartu su Solar Orbiter ir kitais observatorijomis sudarys kelių perspektyvų tinklą, kuris pagerins tiek fizikos supratimą, tiek operatyvinį prognozavimą.
Ekspertų įžvalga
Dr. Maya Singh, vyresnioji heliofizikė dideliame universitete (fiktyvus ekspertas), komentuoja: „Solar Orbiter atskyrė dviejų skirtingų Saulės greitintuvų procesų 'pirštų atspaudus'. Stebėdami elektronus arčiau jų kilmės sumažiname neapibrėžtumą, kurį sukelia transporto efektai saulės vėjuje. Praktiniu požiūriu tai reiškia geresnius modelius radiacinei aplinkai aplink kosminius aparatus ir aiškesnius kriterijus įjungiant apsaugos protokolus tiek palydovams, tiek astronautams.“
Dr. Singh priduria: „Nuotolinių ir in situ matavimų derinys vienoje misijoje yra ateities heliofizikos misijų paradigma. Pridėjus šoninius stebėjimo taškus, tokius kaip Vigil, ir tikslinius magnetosferos tyrimus, tokius kaip SMILE, mūsų kosminės meteorologijos prognozavimo gebėjimai žymiai pagerės.“
Išvada
Solar Orbiter stebėjimai išsprendė svarbų klausimą apie greičiausias Saulės krūvines daleles, parodydami, kad energetiniai elektronai yra dviejų pagrindinių tipų: impulsiniai pliūpsniai iš saulės žybsnių ir palaipsniniai bangavimai, susiję su koroniniais masės išmetimais. Išmatuodama daugiau nei 300 SEE įvykių naudodama papildančius instrumentus ir arčiau Saulės nei ankstesni zondai, misija atskyrė šaltinio savybes nuo heliosferoje susidarančių transporto efektų. Šis rezultatas sustiprina kosminės meteorologijos prognozes, padeda formuoti apsaugos strategijas palydovams ir astronautams bei sudaro pagrindą naujoms misijoms – Vigil ir SMILE, kurios dar labiau išplės mūsų stebėjimų aprėptį Saulė–Žemė sistemoje. Auganti Solar Orbiter duomenų bazė ir toliau tarnaus pasaulinei heliofizikos bendruomenei, kai mes tobulinsime dalelių pagreitinimo, sklidimo ir planetinio poveikio modelius.
Šaltinis: scitechdaily
Komentarai