Ο Ήλιος είναι πιο ξένος από όσο φαντάζονταν οι αστροφυσικοί

Οι παρατηρήσεις του ήλιου με τηλεσκόπιο μιας δεκαετίας αποκάλυψαν ένα εκπληκτικό μυστήριο:οι ακτίνες γάμμα, τα κύματα φωτός με τη μεγαλύτερη συχνότητα, ακτινοβολούν από το πλησιέστερο αστέρι μας επτά φορές πιο άφθονα από ό,τι αναμενόταν. Ακόμα πιο περίεργο, παρά την υπερβολική αυτή περίσσεια ακτίνων γάμμα συνολικά, ένα στενό εύρος ζώνης συχνοτήτων απουσιάζει περιέργως.

Το πλεόνασμα φωτός, το χάσμα στο φάσμα και άλλες εκπλήξεις σχετικά με το σήμα των ηλιακών ακτίνων γάμμα πιθανώς δείχνουν άγνωστα χαρακτηριστικά του μαγνητικού πεδίου του ήλιου ή πιο εξωτική φυσική.

«Είναι εκπληκτικό που κάναμε τόσο θεαματικό λάθος για κάτι που θα έπρεπε να καταλάβουμε πολύ καλά:τον ήλιο», είπε ο Brian Fields, αστροφυσικός σωματιδίων στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις, Urbana-Champaign.

Το απροσδόκητο σήμα προέκυψε σε δεδομένα από το διαστημικό τηλεσκόπιο ακτίνων γάμμα Fermi, ένα παρατηρητήριο της NASA που σαρώνει τον ουρανό από το φυλάκιό του στη χαμηλή τροχιά της Γης. Καθώς έχουν συγκεντρωθεί περισσότερα δεδομένα Fermi, αποκαλύπτοντας το φάσμα των ακτίνων γάμμα που προέρχονται από τον ήλιο με ολοένα και μεγαλύτερη λεπτομέρεια, τα παζλ έχουν απλώς πολλαπλασιαστεί.

«Συνεχίσαμε να βρίσκουμε εκπληκτικά πράγματα», είπε η Annika Peter από το Ohio State University, συν-συγγραφέας μιας πρόσφατης λευκής βίβλου που συνοψίζει αρκετά χρόνια ευρήματα σχετικά με το σήμα των ηλιακών ακτίνων γάμμα. "Είναι σίγουρα το πιο εκπληκτικό πράγμα στο οποίο έχω δουλέψει ποτέ."

Όχι μόνο το σήμα ακτίνων γάμμα είναι πολύ ισχυρότερο από ό,τι προβλέπει μια θεωρία δεκαετιών. εκτείνεται επίσης σε πολύ υψηλότερες συχνότητες από τις προβλεπόμενες, και ποικίλλει ανεξήγητα σε όλη την επιφάνεια του ήλιου και σε όλη τη διάρκεια του 11ετούς ηλιακού κύκλου. Έπειτα, υπάρχει το χάσμα, το οποίο οι ερευνητές αποκαλούν «βουτιά» - έλλειψη ακτίνων γάμμα με συχνότητες περίπου 10 τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια Hertz. «Η βουτιά απλώς αψηφά κάθε λογική», είπε ο Tim Linden, αστροφυσικός σωματιδίων στην Πολιτεία του Οχάιο που βοήθησε στην ανάλυση του σήματος.

Ο Fields, ο οποίος δεν συμμετείχε στη δουλειά, είπε:"Έχουν κάνει εξαιρετική δουλειά με τα δεδομένα και η ιστορία που λέει είναι πραγματικά καταπληκτική."

Οι πιθανοί πρωταγωνιστές της ιστορίας είναι σωματίδια που ονομάζονται κοσμικές ακτίνες — συνήθως πρωτόνια που έχουν εκτοξευθεί με σφεντόνα στο ηλιακό σύστημα από τα ωστικά κύματα μακρινών σουπερνόβα ή άλλες εκρήξεις.

Οι φυσικοί δεν πιστεύουν ότι ο ήλιος εκπέμπει ακτίνες γάμμα από μέσα. (Οι πυρηνικές συντήξεις στον πυρήνα της τα παράγουν, αλλά διασκορπίζονται και υποβαθμίζονται σε φως χαμηλότερης ενέργειας πριν φύγουν από τον ήλιο.) Ωστόσο, το 1991, οι φυσικοί David Seckel, Todor Stanev και Thomas Gaisser του Πανεπιστημίου του Delaware υπέθεσαν ότι ο ήλιος Ωστόσο, θα έλαμπε σε ακτίνες γάμμα, λόγω των κοσμικών ακτίνων που εισέρχονται από το διάστημα και βυθίζονται προς αυτό.

Περιστασιακά, υποστήριξε το τρίο του Ντέλαγουερ, μια κοσμική ακτίνα που βυθίζεται προς τον ήλιο θα «καθρεφτιστεί» ή θα περιστραφεί το τελευταίο δευτερόλεπτο από το βρόχο, στριφτό μαγνητικό πεδίο του ήλιου. "Θυμάστε το καρτούν Road Runner;" είπε ο John Beacom, καθηγητής στην Πολιτεία του Οχάιο και ένας από τους ηγέτες της ανάλυσης του σήματος. «Φανταστείτε ότι το πρωτόνιο τρέχει κατευθείαν προς αυτή τη σφαίρα, και το τελευταίο δευτερόλεπτο αλλάζει κατεύθυνση και επιστρέφει σε εσάς». Αλλά κατά την έξοδό της, η κοσμική ακτίνα συγκρούεται με αέριο στην ηλιακή ατμόσφαιρα και σβήνει σε μια αναταραχή ακτινοβολίας γάμμα.

Με βάση τον ρυθμό με τον οποίο εισέρχονται οι κοσμικές ακτίνες στο ηλιακό σύστημα, την εκτιμώμενη ισχύ του μαγνητικού πεδίου του ήλιου, την πυκνότητα της ατμόσφαιράς του και άλλους παράγοντες, ο Seckel και οι συνεργάτες του υπολόγισαν ότι η διαδικασία κατοπτρισμού είναι περίπου 1 τοις εκατό αποτελεσματική. Προέβλεψαν μια αμυδρή λάμψη ακτίνων γάμμα.

Ωστόσο, το τηλεσκόπιο Fermi ανιχνεύει, κατά μέσο όρο, επτά φορές περισσότερες ακτίνες γάμμα που προέρχονται από τον ηλιακό δίσκο από ό,τι προβλέπει αυτή η θεωρία των κοσμικών ακτίνων. Και το σήμα γίνεται έως και 20 φορές ισχυρότερο από το προβλεπόμενο για τις ακτίνες γάμμα με τις υψηλότερες συχνότητες. «Διαπιστώσαμε ότι η διαδικασία ήταν συνεπής με 100 τοις εκατό απόδοση σε υψηλές ενέργειες», είπε ο Linden. «Κάθε κοσμική ακτίνα που εισέρχεται πρέπει να γυριστεί». Αυτό είναι αινιγματικό, καθώς οι πιο ενεργητικές κοσμικές ακτίνες θα πρέπει να είναι οι πιο δύσκολο να αντικατοπτριστούν.

Και ο Seckel, ο Stanev και το μοντέλο του Gaisser δεν είπαν τίποτα για οποιαδήποτε βουτιά. Σύμφωνα με τον Seckel, είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς πώς θα καταλήξετε σε μια βαθιά, στενή βύθιση στο φάσμα των ακτίνων γάμμα ξεκινώντας από τις κοσμικές ακτίνες, οι οποίες έχουν ένα ομαλό φάσμα ενεργειών. Είναι δύσκολο να έχεις βουτιές γενικά, είπε:«Είναι πολύ πιο εύκολο να έχεις χτυπήματα παρά βουτιές. Αν έχω κάτι που βγαίνει από τον ήλιο, ΟΚ, αυτό είναι ένα επιπλέον κανάλι. Πώς μπορώ να δημιουργήσω ένα αρνητικό κανάλι από αυτό;»

Ίσως η ισχυρή λάμψη των ακτίνων γάμμα αντανακλά μια πηγή διαφορετική από τις καταδικασμένες κοσμικές ακτίνες. Αλλά οι φυσικοί δυσκολεύονται να φανταστούν τι. Υποψιάζονταν εδώ και καιρό ότι ο πυρήνας του ήλιου μπορεί να φιλοξενεί σκοτεινή ύλη - και ότι τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης, αφού έλκονταν και παγιδευτούν από τη βαρύτητα, μπορεί να είναι αρκετά πυκνά εκεί ώστε να εκμηδενίζονται το ένα το άλλο. Αλλά πώς θα μπορούσαν οι ακτίνες γάμμα που παράγονται από την εξόντωση της σκοτεινής ύλης στον πυρήνα να αποφύγουν τη διασπορά πριν ξεφύγουν από τον ήλιο; Οι προσπάθειες σύνδεσης του σήματος ακτίνων γάμμα με τη σκοτεινή ύλη «μοιάζουν σαν κάτι τύπου Rube Goldberg», είπε ο Seckel.

Ορισμένες πτυχές του σήματος δείχνουν όντως τις κοσμικές ακτίνες και τις ευρείες πινελιές της θεωρίας του 1991.

Για παράδειγμα, το τηλεσκόπιο Fermi ανιχνεύει πολλές περισσότερες ακτίνες γάμμα κατά τη διάρκεια του ηλιακού ελάχιστου, τη φάση του 11ετούς κύκλου του ήλιου όταν το μαγνητικό του πεδίο είναι πιο ήρεμο και τακτοποιημένο. Αυτό είναι λογικό, λένε οι ειδικοί, εάν οι κοσμικές ακτίνες είναι η πηγή. Κατά τη διάρκεια του ηλιακού ελάχιστου, περισσότερες κοσμικές ακτίνες μπορούν να φτάσουν στο ισχυρό μαγνητικό πεδίο κοντά στην επιφάνεια του ήλιου και να καθρεφτιστούν, αντί να εκτρέπονται πρόωρα από το ταραχώδες κουβάρι των γραμμών πεδίου που διαπερνά το εσωτερικό ηλιακό σύστημα άλλες φορές.

Από την άλλη πλευρά, οι ανιχνευόμενες ακτίνες γάμμα πέφτουν ως συνάρτηση της συχνότητας με διαφορετικό ρυθμό από τις κοσμικές ακτίνες. Εάν οι κοσμικές ακτίνες είναι η πηγή, οι δύο ρυθμοί αναμένεται να ταιριάζουν.

Είτε οι κοσμικές ακτίνες αντιπροσωπεύουν ολόκληρο το σήμα των ακτίνων γάμμα είτε όχι, ο Joe Giacalone, φυσικός ηλιοσφαιρών στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, λέει ότι το σήμα «μάς λέει πιθανώς κάτι πολύ θεμελιώδες για τη μαγνητική δομή του ήλιου». Ο ήλιος είναι το πιο εκτενώς μελετημένο αστέρι, ωστόσο το μαγνητικό του πεδίο — που δημιουργείται από τη δίνη φορτισμένων σωματιδίων στο εσωτερικό του — παραμένει ελάχιστα κατανοητό, αφήνοντάς μας μια θολή εικόνα του πώς λειτουργούν τα αστέρια.

Ο Τζιακαλόνε δείχνει προς το στέμμα, τον μυρωδάτο φάκελο πλάσματος που περιβάλλει τον ήλιο. Για να αντικατοπτρίζει αποτελεσματικά τις κοσμικές ακτίνες, το μαγνητικό πεδίο στο στέμμα είναι πιθανώς ισχυρότερο και προσανατολισμένο με διαφορετικό τρόπο από ό,τι νόμιζαν οι επιστήμονες, είπε. Ωστόσο, σημείωσε ότι το στεφανιαίο μαγνητικό πεδίο πρέπει να είναι ισχυρό μόνο πολύ κοντά στην επιφάνεια του ήλιου, ώστε να μην αντικατοπτρίζονται οι κοσμικές ακτίνες πολύ σύντομα, προτού εισέλθουν στη ζώνη όπου η ατμόσφαιρα είναι αρκετά πυκνή για να συμβούν συγκρούσεις. Και το μαγνητικό πεδίο φαίνεται να γίνεται ιδιαίτερα ισχυρό κοντά στον ισημερινό κατά τη διάρκεια του ηλιακού ελάχιστου.

Αυτές οι νέες ενδείξεις σχετικά με τη δομή του μαγνητικού πεδίου θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην αποκάλυψη του μακροχρόνιου μυστηρίου του ηλιακού κύκλου.

«Κάθε 11 χρόνια, ολόκληρο το μαγνητικό πεδίο του ήλιου αντιστρέφεται», δήλωσε ο Igor Moskalenko, ανώτερος επιστήμονας στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ που είναι μέρος της επιστημονικής συνεργασίας Fermi. «Έχουμε νότο στη θέση του βορρά και βορρά στη θέση του νότου. Αυτή είναι μια δραματική αλλαγή. Ο ήλιος είναι τεράστιος και γιατί παρατηρούμε αυτή την αλλαγή πολικότητας και γιατί είναι τόσο περιοδική, κανείς δεν ξέρει πραγματικά». Οι κοσμικές ακτίνες, είπε, και το μοτίβο των ακτίνων γάμμα που παράγουν «μπορεί να απαντήσει σε αυτό το πολύ σημαντικό ερώτημα:Γιατί ο ήλιος αλλάζει πολικότητα κάθε 11 χρόνια;»

Αλλά δεν υπάρχουν καλές εικασίες για το πώς το μαγνητικό πεδίο του ήλιου θα μπορούσε να δημιουργήσει την πτώση στο φάσμα των ακτίνων γάμμα στα 10 τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια hertz. Είναι τόσο ασυνήθιστο χαρακτηριστικό που ορισμένοι ειδικοί αμφιβάλλουν αν είναι αληθινό. Αλλά αν η απουσία ακτίνων γάμμα γύρω από αυτή τη συχνότητα είναι λάθος υπολογισμός ή πρόβλημα με τα όργανα του Fermi, κανείς δεν έχει καταλάβει την αιτία. «Δεν φαίνεται να είναι κάποιο εργαλειακό αποτέλεσμα», είπε η Έλενα Ορλάντο, αστροφυσικός στο Στάνφορντ και μέλος της ομάδας Fermi.

Όταν ο Peter, ο Linden, ο Beacom και οι συνεργάτες τους βρήκαν τη βουτιά στα δεδομένα του Fermi πέρυσι, προσπάθησαν σκληρά να το ξεφορτωθούν πριν δημοσιεύσουν την ανακάλυψή τους. «Νομίζω ότι υπάρχουν 15 σελίδες στο παράρτημα των διαφορετικών δοκιμών που κάναμε για να δούμε αν κάναμε λάθος υπολογισμό», είπε ο Linden. "Στατιστικά, η πτώση φαίνεται πολύ εμφανής."

Ωστόσο, ο Ορλάντο τόνισε ότι η κίνηση του ήλιου μέσω του ουρανού κάνει την ανάλυση των δεδομένων πολύ προκλητική. Πρέπει να ξέρει. αυτή και ένας συνεργάτης της ανακάλυψαν το ρεύμα των ακτίνων γάμμα που προέρχονται από τον ήλιο για πρώτη φορά το 2008 χρησιμοποιώντας τον δορυφόρο EGRET, τον προκάτοχο του Fermi. Το Orlando συμμετείχε επίσης κεντρικά στην επεξεργασία των δεδομένων ηλιακών ακτίνων γάμμα του Fermi. Κατά την άποψή της, θα χρειαστούν περισσότερα δεδομένα και ανεξάρτητες αναλύσεις για να επιβεβαιωθεί ότι η πτώση στο φάσμα είναι πραγματική.

Μια δυσλειτουργία του ηλιακού πάνελ κράτησε το τηλεσκόπιο Fermi ως επί το πλείστον στραμμένο μακριά από τον ήλιο τον τελευταίο χρόνο, αλλά έχουν βρεθεί λύσεις — ακριβώς έγκαιρα για το ηλιακό ελάχιστο. Οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου του ήλιου κάμπτονται επί του παρόντος τακτοποιημένα από πόλο σε πόλο. Εάν αυτό το ηλιακό ελάχιστο είναι σαν το προηγούμενο, το σήμα ακτίνων γάμμα είναι τώρα στο πιο ισχυρό του. «Αυτό είναι που το κάνει τόσο συναρπαστικό», είπε ο Λίντεν. "Αυτή τη στιγμή φτάνουμε στην κορυφή του ηλιακού ελάχιστου, οπότε ελπίζουμε ότι θα δούμε εκπομπή υψηλότερης ενέργειας [ακτίνων γάμμα] με έναν αριθμό τηλεσκοπίων."

Αυτή τη φορά, μαζί με τον Fermi, ένα παρατηρητήριο στην κορυφή του βουνού που ονομάζεται HAWC (για το πείραμα Cherenkov με νερό σε μεγάλο υψόμετρο) θα λαμβάνει δεδομένα. Το HAWC ανιχνεύει ακτίνες γάμμα σε υψηλότερες συχνότητες από το Fermi, το οποίο θα αποκαλύψει περισσότερο από το σήμα. Οι επιστήμονες είναι επίσης πρόθυμοι να δουν εάν το χωρικό μοτίβο των ακτίνων γάμμα αλλάζει σε σχέση με πριν από 11 χρόνια, καθώς οι κοσμικές ακτίνες παραμένουν θετικά φορτισμένες αλλά ο βόρειος και ο νότιος πόλος του ήλιου έχουν αντιστραφεί.

Αυτές οι ενδείξεις θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην επίλυση του ηλιακού μυστηρίου. Οι επιστήμονες του HAWC ελπίζουν να αναφέρουν τα πρώτα ευρήματά τους μέσα σε ένα χρόνο και οι επιστήμονες τόσο εντός της συνεργασίας Fermi όσο και εκτός αυτής έχουν ήδη αρχίσει να εξετάζουν τα δεδομένα που συγκεντρώνουν. Δεδομένου ότι η NASA χρηματοδοτείται από το δημόσιο, «ο καθένας μπορεί να το κατεβάσει αν θέλει να ρίξει μια ματιά», είπε ο Linden, ο οποίος κατεβάζει τα νέα δεδομένα του Fermi σχεδόν κάθε μέρα.

«Το χειρότερο που μπορεί να συμβεί εδώ είναι να ανακαλύψουμε ότι ο ήλιος είναι πιο περίεργος και πιο όμορφος από ό,τι είχαμε φανταστεί ποτέ», είπε ο Beacom. "Και το καλύτερο που θα μπορούσε να συμβεί είναι να ανακαλύψουμε κάποιο είδος νέας φυσικής."

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στα ισπανικά στη διεύθυνση Investigacionyciencia.es .