Udało się udowodnić, że niestabilności Kelvina-Helmholtza napędzają mieszanie plazmy na Słońcu
Przez blisko 150 lat, od czasu gdy Kelvin i von Helmholtz opisali matematycznie niestabilność powstającą na granicy dwóch strumieni płynu poruszających się z różną prędkością, astronomowie podejrzewali, że podobne zjawisko musi dotyczyć także Słońca. Jednak nigdy go nie zaobserwowano, gdyż zachodziło w skali zbyt małej, by uchwycić je istniejącymi instrumentami. Udało się to dopiero teraz zespołowi kierowanemu przez Davida Kuridze i Friedricha Wögera z amerykańskiego National Solar Observatory.
Kluczem do sukcesu był Daniel K. Inouye Solar Telescope (DKIST) na Hawajach, pierwszy na świecie słoneczny teleskop o średnicy zwierciadła wynoszącej aż 4 metry. Obserwując aktywny region w pobliżu plamy słonecznej w świetle o długości fali 416 nm, naukowcy uzyskali maksymalną rozdzielczość rzędu 19 km na powierzchni Słońca.
Efekt zaskoczył samych badaczy. Zamiast gładkich, rozmytych granic między gorącymi komórkami konwekcyjnymi (granulami) a skupiskami pola magnetycznego, sekwencje zdjęć pokazały, że granice usiane są wirami i prążkowanymi strukturami. Analiza 47 takich wirów wykazała, że średni odstęp między nimi wynosi 65 km, a średnica pojedynczego wiru to od 25 do 170 kilometrów. Naukowcy byli więc w stanie obserwować niezwykle małe struktury na powierzchni Słońca. Wspomniane 25 km to w końcu niewiele więcej niż maksymalna rozdzielczość urządzenia, wynosząca 19 km.
Autorzy nie poprzestali na obserwacjach. Przeprowadzili też symulacje magnetohydrodynamiczne fotosfery o rozdzielczości porównywalnej z DKIST. Model obliczeniowy - symulujący wiry oraz to, w jaki sposób powinniśmy widzieć je przez teleskop o takich parametrach jak DKIST – dał wyniki zgodne z tym, co rzeczywiście obserwowano. Zgodność tych parametrów z przewidywaniami klasycznej teorii liniowej Chandrasekhara potwierdziła, że badacze rzeczywiście zaobserwowali niestabilność Kelvina-Helmholtza, a nie inny efekt.
Odkrycie ma daleko idące konsekwencje. Wiry okazują się wydajnym mechanizmem transportu masy, energii, pędu i strumienia magnetycznego – mieszają plazmę związaną z polem magnetycznym z plazmą swobodną z brzegów granul, co wpływa na transport energii ku powierzchni Słońca. W głębszych warstwach fotosfery, gdzie stabilizujący wpływ pola jest słabszy, ten sam proces rozrywa pierwotnie jednolite struktury magnetyczne na cieńsze pasma.
Autorzy wskazują też, że nieustannie odnawiające się wiry mogą stanowić powszechne drobnoskalowe źródło splatania linii pola magnetycznego – procesu uznawanego za jeden z głównych rezerwuarów energii zasilającej rozbłyski, wyrzuty masy koronalnej i zagadkowe ogrzewanie korony słonecznej do milionów stopni. Podobne struktury dostrzeżono też w znacznie bardziej odległych miejscach, jak obłok molekularny Polaris Flare czy chmury w gwiazdozbiorze Byka, co sugeruje, że ta sama niestabilność może kształtować materię w skalach od tysięcy kilometrów po całe obłoki gwiazdotwórcze.
Szczegóły badań zostały opublikowane na łamach Nature w artykule Ubiquitous Kelvin–Helmholtz instabilities driving plasma mixing on the Sun.
Komentarze (0)