Sondy kosmiczne pokazały, skąd wiatr słoneczny ma energię

O wynikach badań poinformowała Europejska Agencja Kosmiczna. Artykuł je prezentujący opublikowano w "Science" (https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk6953).

Wiatr słoneczny to strumień naładowanych cząstek, które uciekają z atmosfery Słońca (korony słonecznej) i przebiegają m.in. koło Ziemi. Interakcje wiatru słonecznego z atmosferą naszej planety powodują m.in. zorze polarne.

Wiatr słoneczny dzieli się na szybki i wolny. Ten pierwszy porusza się z prędkością 500 km/s, co odpowiada 1,8 mln km/h. Jednak opuszcza on koronę słoneczną z mniejszą prędkością, więc coś musi potem go przyspieszać.

Wiatr słoneczny ma początkowo temperaturę miliona stopni i gdy ekspanduje do większej objętości, jego gęstość maleje. Jednak chłodzi się wolniej, niż naukowcy spodziewali się. Co więc dostarcza energii potrzebnej do ogrzewania i przyspieszania najszybszych składników wiatru słonecznego? W najnowszej publikacji w "Science" naukowcy dostarczają dowodów, że odpowiedzialne za to są wielkoskalowe oscylacje pola magnetycznego Słońca, zwane falami Alfvéna. Fale Alfvéna były już wcześniej wskazywane jako potencjalne źródło energii, ale brakowało odpowiednich dowodów.

W zwyczajnym gazie, takim jak ziemska atmosfera, rozchodzą się fale dźwiękowe. Jednak gdy gaz zostanie podgrzany do ekstremalnie wysokich temperatur, przechodzi w stan plazmy i staje się wrażliwy na pole magnetyczne. To pozwala na tworzenie się fal Alfvéna w polu magnetycznym. Fale te przechowują energię i mogą efektywnie dostarczać ją do plazmy.

Zwykły gaz demonstruje swoją zmagazynowaną energię gęstością, temperaturą i prędkością. Natomiast w przypadku plazmy energia jest także w polu magnetycznym.

Instrumenty na pokładach sond Solar Orbiter i Parker Solar Probe mierzyły własności plazmy, w tym jej pola magnetycznego. W lutym 2022 roku zaszła sytuacja, iż sondy były ustawione wzdłuż tego samego strumienia wiatru słonecznego: Parker Solar Probe w odległości około 9 mln km od Słońca (13,3 promienia Słońca) na odległych krańcach korony słonecznej, a Solar Orbiter 89 mln km od naszej dziennej gwiazdy (128 promieni Słońca). Druga z sond przeleciała przez strumień wiatru słonecznego około jednego-dwóch dni później niż pierwsza.

Korzystając z takiej okazji, naukowcy, którymi kierował Yeimy Rivera z Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian, Massachusetts, USA, porównali pomiary plazmy. Ponieważ energia nie znika, tylko może być przekształcana z jednej formy w inną, przeanalizowano dane przy założeniu braku pola magnetycznego oraz z energią w polu magnetycznym. Okazało się, że w miejscu, gdzie była sonda Parker Solar Probe, około 10 proc. energii było zawarte w polu magnetycznym. Z kolei dalej od Słońca, w pozycji sondy Solar Orbiter, już tylko 1 proc., ale zamiast tego plazma przyspieszyła i na dodatek ochłodziła się wolniej niż powinna.