Το αινιγματικό πλάσμα της Sun αναδημιουργήθηκε σε ένα εργαστήριο

Ακόμα και ένα ουράνιο σώμα τόσο οικείο όσο ο ήλιος έχει μερικά μυστικά. Πάνω από την ορατή επιφάνεια του ήλιου, καυτά αέρια που αποτελούνται από φορτισμένα σωματίδια εκτείνονται στο διάστημα για να σχηματίσουν τα υπέρθερμα εξωτερικά στρώματα του ήλιου, συμπεριλαμβανομένου του ραβδωτού στέμματος, το οποίο μπορεί να φανεί σαν χαίτη του λιονταριού κατά τη διάρκεια μιας ολικής έκλειψης Ηλίου. Κάποια διαδικασία θερμαίνει αυτά τα πλάσματα στο στέμμα σε εκατομμύρια βαθμούς και τα κάνει να απομακρύνονται γρήγορα από τον ήλιο ως ηλιακός άνεμος.

Το πώς ακριβώς αυτά τα πλάσματα διαφεύγουν από τα μαγνητικά πεδία του ήλιου είναι ακόμα ένα μυστήριο. «Πολλές από τις ανοιχτές ερωτήσεις σχετικά με τον ήλιο καταλήγουν τελικά στο μαγνητικό πεδίο», επειδή τα μαγνητικά πεδία διέπουν μεγάλο μέρος της δραστηριότητας του ήλιου, είπε η Therese Kucera, αστροφυσικός στο Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Goddard της NASA που μελετά την ατμόσφαιρα του ήλιου.

Τα μαγνητικά πεδία του ήλιου σχηματίζουν τεράστιους βρόχους που εκτείνονται από την επιφάνεια του ήλιου στο διάστημα. Μερικοί από αυτούς τους βρόχους είναι αρκετά μικροί ώστε να χωρούν εξ ολοκλήρου μέσα στο στέμμα του ήλιου, ενώ άλλοι εκτείνονται στις άκρες του ηλιακού συστήματος.

Γενικά, αυτοί οι βρόχοι παγιδεύουν πλάσμα επειδή τα φορτισμένα σωματίδια ταξιδεύουν κατά μήκος των μαγνητικών πεδίων και όχι κατά μήκος τους. Μερικά πλάσματα διαφεύγουν από τον ήλιο ακολουθώντας τους βρόχους που εκτείνονται πολύ μέσα στο ηλιακό σύστημα. Αυτά τα πλάσματα γίνονται ο λεγόμενος «γρήγορος» ηλιακός άνεμος. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι σταγόνες πλάσματος μπορούν επίσης να ξεσπάσουν από τους μικρότερους βρόχους για να δημιουργήσουν τον «αργό» ηλιακό άνεμο. Οι βρόχοι σπάνε και επανασυνδέονται σε μια διαδικασία που ονομάζεται επανασύνδεση, αφαιρώντας μέρος του παγιδευμένου πλάσματος. Αλλά οι λεπτομέρειες για το πού και πώς συμβαίνει η μαγνητική επανασύνδεση μας έχουν διαφύγει.

"Θέλουμε να κάνουμε περισσότερα από το να κουνάμε τα χέρια μας και να πούμε, "Ω, πρέπει να σχετίζεται με την επανασύνδεση με κάποιο τρόπο", είπε ο Kucera.

Έτσι, μια ομάδα ερευνητών αποφάσισε να προσπαθήσει να αναδημιουργήσει τη δομή του μαγνητικού πεδίου του ήλιου σε μια μπάλα πλάσματος στο εργαστήριό της.

Πώς φτιάχνεις έναν ήλιο στο εργαστήριο;

Το απλούστερο μοντέλο για το μαγνητικό πεδίο του ήλιου θα ήταν ένας ράβδος μαγνήτης, ή δίπολο, που έχει βόρειο και νότιο πόλο. Το μαγνητικό του πεδίο εκτείνεται από τον έναν πόλο στον άλλο.

Φυσικά, ο ήλιος είναι πιο περίπλοκος από έναν μαγνήτη ράβδου. Ο ήλιος περιστρέφεται, στρίβοντας το μαγνητικό πεδίο σε ένα στροβιλιζόμενο μοτίβο γνωστό ως σπείρα Πάρκερ. Και τα ρεύματα πλάσματος που προέρχονται από τον ήλιο τραβούν μέρη του μαγνητικού πεδίου μαζί τους σαν λάστιχα, τεντώνοντας τους βρόχους μέχρι τις άκρες του ηλιακού συστήματος.

Μια ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Ουισκόνσιν, Μάντισον, ενσωμάτωσε κάθε έναν από αυτούς τους παράγοντες στο εργαστηριακό τους μοντέλο. Μέσα σε έναν θάλαμο συγκράτησης πλάσματος πλάτους 3 μέτρων - τη «Μεγάλη Κόκκινη Μπάλα» - η ομάδα τοποθέτησε έναν κυλινδρικό μόνιμο μαγνήτη πλάτους περίπου 10 εκατοστών και μήκους 10 εκατοστών. Αυτός ήταν ο αρχικός τους ήλιος. Στη συνέχεια γέμισαν τη μπάλα με ένα πλάσμα κατασκευασμένο από αέριο ήλιο και οδήγησαν ένα ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από αυτό, το οποίο δημιούργησε μια δύναμη στο πλάσμα που την έκανε να περιστρέφεται γύρω από το δίπολο.

"Αυτό δημιουργεί ένα περιστρεφόμενο πλάσμα σε ένα δίπολο μαγνητικό πεδίο, παρόμοιο με τον ήλιο", δήλωσε ο Ethan Peterson, ένας φυσικός πλάσματος στο Wisconsin. Με αυτήν την τεχνική, η ομάδα μπόρεσε να ξαναδημιουργήσει με επιτυχία το σχήμα της σπείρας Parker, όπως περιγράφουν σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε σήμερα στο Nature Physics .

Το πείραμα ήταν επίσης σε θέση να μιμηθεί μια περιοχή γύρω από τον ήλιο όπου το πλάσμα κρέμεται σε μια επισφαλή ισορροπία. Μέσα σε αυτό το όριο, τα πλάσματα περιέχονται από μαγνητικά πεδία, αλλά έξω από αυτό, οι φυγόκεντρες δυνάμεις από την περιστροφή του ήλιου υπερισχύουν των μαγνητικών πεδίων και τα πλάσματα ρέουν προς τα έξω. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι «αν περιστρέψετε [το πλάσμα] αρκετά δυνατά, μπορείτε να το κάνετε να περιστραφεί από τη φυγόκεντρη δύναμη», είπε ο Peterson. Η ομάδα πιστεύει ότι οι σταγόνες πλάσματος που παρήγαγαν είναι ανάλογες με εκείνες στο διάστημα που τροφοδοτούν τον αργό ηλιακό άνεμο του ήλιου.

Ορισμένες πτυχές του μοντέλου, όπως η πυκνότητα του πλάσματος και η αναλογία φορτισμένων και ουδέτερων σωματιδίων, δεν αντανακλούν τη σύνθεση του πραγματικού στέμματος του ήλιου και του ηλιακού ανέμου. Αλλά το πείραμα εξακολουθεί να είναι ενημερωτικό, είπε η Aleida Higginson, ηλιακός φυσικός στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Φυσικής του Πανεπιστημίου Johns Hopkins που εργάζεται σε προσομοιώσεις του ηλιακού ανέμου και δεν συμμετείχε στη μελέτη. «Μιλάμε για εργαστηριακές συνθήκες στη Γη έναντι του ήλιου, οπότε προφανώς θα υπάρχουν κάποιες διαφορές. Είμαι ακόμα εντυπωσιασμένος», είπε. "Αν όντως πέτυχαν επανασύνδεση και έβγαλαν σταγόνες, νομίζω ότι είναι πολύ ωραίο και πολλά υποσχόμενο."

Γιατί είναι τόσο δύσκολο να μελετήσει κανείς τον πραγματικό ήλιο;

«Το διάστημα είναι πραγματικά μεγάλο», είπε ο Kucera. Ένας διαστημικός ανιχνευτής μπορεί να βρίσκεται μόνο σε ένα μέρος τη φορά. Είτε πρόκειται για λήψη εικόνων του ηλιακού ανέμου ώστε οι ερευνητές να κατανοήσουν καλύτερα τη δομή του είτε πραγματοποιούν μετρήσεις της ισχύος του μαγνητικού πεδίου και των σωματιδίων που ρέουν από αυτόν, κάθε διαστημικός ανιχνευτής μπορεί να διερευνήσει μόνο ένα μικρό κλάσμα του περιβάλλοντος του ήλιου. «Θα θέλαμε να μπορούμε να κάνουμε δείγματα παντού. Αλλά προφανώς, δεν μπορούμε να το κάνουμε αυτό."

Ένα εργαστηριακό πείραμα όπως αυτό, από την άλλη πλευρά, επιτρέπει στους ερευνητές να έχουν τη μεγάλη εικόνα. Έχουν χωρέσει ολόκληρο το ηλιακό σύστημα σε μια μπάλα πλάτους 3 μέτρων, τελικά.

Ένα εργαστηριακό μοντέλο επιτρέπει επίσης στους ερευνητές να πειραματιστούν με τρόπους που δεν μπορούν στον πραγματικό κόσμο.

«Επειδή είναι ένα εργαστηριακό πείραμα, μπορούν να αλλάξουν κάποιες από τις παραμέτρους τους, σωστά;» είπε ο Στιούαρτ Μπέιλ, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, και επικεφαλής ενός πειράματος στο Parker Solar Probe, ένα διαστημόπλοιο που εκτοξεύτηκε πέρυσι. «Και δεν μπορούμε. Ο ήλιος κάνει αυτό που πρόκειται να κάνει."

Καθώς το Parker Solar Probe θα κάνει κύκλους γύρω από τον ήλιο τα επόμενα χρόνια, θα περάσει από το στέμμα και θα συλλέξει δεδομένα που οι ερευνητές μπορούν να συγκρίνουν με τα εργαστηριακά αποτελέσματα.

«Τα πράγματα που βλέπουν», είπε ο Μπέιλ, «αν είναι αληθινά, θα πρέπει να τα δούμε».