Το γιατί το στέμμα του ήλιου φτάνει σε θερμοκρασίες πολλών εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου είναι ένα από τα μεγάλα μυστήρια της ηλιακής φυσικής. Ένα «καυτό» μονοπάτι για να εξηγήσει αυτό το φαινόμενο οδηγεί σε μια περιοχή της ηλιακής ατμόσφαιρας ακριβώς κάτω από το στέμμα, όπου τα ηχητικά κύματα και ορισμένα κύματα πλάσματος ταξιδεύουν με την ίδια ταχύτητα. Σε ένα πείραμα που χρησιμοποιεί το λιωμένο αλκαλικό μέταλλο ρουβίδιο και παλμικά υψηλά μαγνητικά πεδία, μια ομάδα από το Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), ένα γερμανικό εθνικό εργαστήριο, ανέπτυξε ένα εργαστηριακό μοντέλο και για πρώτη φορά επιβεβαίωσε πειραματικά τα θεωρητικά προβλεπόμενα συμπεριφορά αυτών των κυμάτων πλάσματος -τα λεγόμενα κύματα Alfvén- όπως αναφέρουν οι ερευνητές στο περιοδικό Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης.

Στους 15 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου, το κέντρο του ήλιου μας είναι αφάνταστα ζεστό. Στην επιφάνειά του, εκπέμπει το φως του στους συγκριτικά μέτριους 6000 βαθμούς Κελσίου. «Είναι ακόμη πιο εκπληκτικό το γεγονός ότι θερμοκρασίες πολλών εκατομμυρίων βαθμών επικρατούν ξαφνικά ξανά στον υπερκείμενο ήλιο στέμμα», λέει ο Δρ Frank Stefani. Η ομάδα του διεξάγει έρευνα στο HZDR Institute of Fluid Dynamics σχετικά με τη φυσική των ουράνιων σωμάτων—συμπεριλαμβανομένου του κεντρικού μας αστέρα. Για τον Stefani, το φαινόμενο της θέρμανσης της κορώνας παραμένει ένα από τα μεγάλα μυστήρια της ηλιακής φυσικής. που τρέχει συνέχεια στο μυαλό του με τη μορφή μιας πολύ απλής ερώτησης: “Γιατί η κατσαρόλα είναι πιο ζεστή από τη σόμπα;”

Το ότι τα μαγνητικά πεδία παίζουν κυρίαρχο ρόλο στη θέρμανση του στέμματος του ήλιου είναι πλέον ευρέως αποδεκτό στην ηλιακή φυσική. Ωστόσο, παραμένει αμφιλεγόμενο εάν αυτή η επίδραση οφείλεται κυρίως σε ξαφνική αλλαγή μαγνητικό πεδίο δομές στο ηλιακό πλάσμα ή στην απόσβεση διαφορετικών τύπων κυμάτων. Η νέα εργασία της ομάδας της Δρέσδης επικεντρώνεται στα λεγόμενα κύματα Alfvén που εμφανίζονται κάτω από το στέμμα στο καυτό πλάσμα της ηλιακής ατμόσφαιρας, το οποίο διαπερνάται από μαγνητικά πεδία. Τα μαγνητικά πεδία που δρουν στα ιονισμένα σωματίδια του πλάσματος μοιάζουν με χορδή κιθάρας, το παίξιμο της οποίας πυροδοτεί μια κυματική κίνηση. Ακριβώς όπως το βήμα μιας χορδής με κορδόνι αυξάνεται με την τάση της, η συχνότητα και η ταχύτητα διάδοσης του κύματος Alfvén αυξάνονται με την ισχύ του μαγνητικού πεδίο.

“Ακριβώς κάτω από το στέμμα του ήλιου βρίσκεται ο λεγόμενος μαγνητικός θόλος, ένα στρώμα στο οποίο τα μαγνητικά πεδία είναι ευθυγραμμισμένα σε μεγάλο βαθμό παράλληλα με την ηλιακή επιφάνεια. Εδώ, τα κύματα ήχου και Alfvén έχουν περίπου την ίδια ταχύτητα και επομένως μπορούν εύκολα να μεταμορφωθούν μεταξύ τους. Εμείς ήθελε να φτάσει ακριβώς σε αυτό το μαγικό σημείο – όπου αρχίζει ο μετασχηματισμός της μαγνητικής ενέργειας του πλάσματος σε θερμότητα που μοιάζει με σοκ», λέει ο Stefani, περιγράφοντας τον στόχο της ομάδας του.

Επικίνδυνο πείραμα;

Λίγο μετά την πρόβλεψή τους το 1942, τα κύματα Alfvén είχαν ανιχνευθεί στα πρώτα πειράματα υγρών μετάλλων και αργότερα μελετήθηκαν λεπτομερώς σε περίτεχνες εγκαταστάσεις φυσικής πλάσματος. Μόνο οι συνθήκες του μαγνητικού θόλου, που θεωρούνται κρίσιμες για τη θέρμανση της κορώνας, παρέμεναν απρόσιτες στους πειραματιστές μέχρι τώρα. Από τη μία πλευρά, σε μεγάλα πειράματα πλάσματος η ταχύτητα Alfvén είναι συνήθως πολύ μεγαλύτερη από την ταχύτητα του ήχου. Από την άλλη πλευρά, σε όλα τα μέχρι σήμερα πειράματα υγρών μετάλλων, ήταν σημαντικά χαμηλότερη. Ο λόγος για αυτό: Η σχετικά χαμηλή ένταση μαγνητικού πεδίου των κοινών υπεραγώγιμων πηνίων με σταθερό πεδίο περίπου 20 tesla.

Τι γίνεται όμως με τα παλμικά μαγνητικά πεδία, όπως αυτά που μπορούν να δημιουργηθούν στο Εργαστήριο Υψηλού Μαγνητικού Πεδίου της Δρέσδης (HLD) του HZDR με μέγιστες τιμές σχεδόν 100 tesla; Αυτό αντιστοιχεί σε περίπου δύο εκατομμύρια φορές την ισχύ του μαγνητικού πεδίου της Γης: Αυτά τα εξαιρετικά υψηλά πεδία θα επέτρεπαν στα κύματα Alfvén να διαπεράσουν το ηχητικό φράγμα; Εξετάζοντας τις ιδιότητες των υγρών μετάλλων, οι ερευνητές γνώριζαν εκ των προτέρων ότι το ρουβίδιο του αλκαλιμετάλλου φτάνει στην πραγματικότητα σε αυτό το μαγικό σημείο ήδη στα 54 τέσλα.

Αλλά το ρουβίδιο αναφλέγεται αυθόρμητα στον αέρα και αντιδρά βίαια με το νερό. Ως εκ τούτου, η ομάδα αρχικά είχε αμφιβολίες ως προς το κατά πόσο ήταν σκόπιμο ένα τέτοιο επικίνδυνο πείραμα. Οι αμφιβολίες διαλύθηκαν γρήγορα, θυμάται ο Δρ Thomas Herrmannsdörfer του HLD: «Το σύστημα παροχής ενέργειας για τη λειτουργία των παλμικών μαγνητών μετατρέπει 50 megajoules σε ένα κλάσμα του δευτερολέπτου—με αυτό, θεωρητικά θα μπορούσαμε να πάρουμε ένα εμπορικό αεροσκάφος να απογειωθεί σε Όταν εξήγησα στους συναδέλφους μου ότι το ένα χιλιοστό αυτής της ποσότητας χημικής ενέργειας του υγρού ρουβιδίου δεν με ανησυχεί ιδιαίτερα, οι εκφράσεις του προσώπου τους λαμπρύνθηκαν ορατά».

Παλμάται μέσα από το μαγνητικό ηχητικό φράγμα

Ωστόσο, ήταν ακόμα ένας δύσκολος δρόμος για το επιτυχημένο πείραμα. Λόγω των πιέσεων έως και πενήντα φορές της ατμοσφαιρικής πίεσης που παράγεται στο παλμικό μαγνητικό πεδίο, το τήγμα του ρουβιδίου έπρεπε να εγκλειστεί σε ένα ανθεκτικό δοχείο από ανοξείδωτο χάλυβα, το οποίο ένας έμπειρος χημικός, που είχε βγει από τη σύνταξη, έπρεπε να γεμίσει. Με την έγχυση εναλλασσόμενου ρεύματος στον πυθμένα του δοχείου ενώ ταυτόχρονα εκτίθεται στο μαγνητικό πεδίο, ήταν τελικά δυνατό να δημιουργηθούν κύματα Alfvén στο τήγμα, του οποίου η ανοδική κίνηση μετρήθηκε με την αναμενόμενη ταχύτητα.

Η καινοτομία: Ενώ μέχρι την ισχύ του μαγικού πεδίου των 54 tesla όλες οι μετρήσεις κυριαρχούνταν από τη συχνότητα του σήματος εναλλασσόμενου ρεύματος, ακριβώς σε αυτό το σημείο εμφανίστηκε ένα νέο σήμα με μειωμένη στο μισό συχνότητα. Αυτός ο ξαφνικός διπλασιασμός της περιόδου ήταν σε απόλυτη συμφωνία με τις θεωρητικές προβλέψεις. Τα κύματα Alfvén της ομάδας του Stefani είχαν σπάσει το φράγμα του ήχου για πρώτη φορά. Αν και δεν μπορούν ακόμα να εξηγηθούν όλα τα παρατηρούμενα αποτελέσματα τόσο εύκολα, η εργασία συνεισφέρει μια σημαντική λεπτομέρεια στην επίλυση του παζλ της θέρμανσης της κορώνας του ήλιου. Για το μέλλον, οι ερευνητές σχεδιάζουν λεπτομερείς αριθμητικές αναλύσεις και περαιτέρω πειράματα.

Έρευνα για τον μηχανισμό θέρμανσης του στέμματος του ήλιου διεξάγεται επίσης αλλού: Οι διαστημικοί ανιχνευτές Parker Solar Probe και Solar Orbiter πρόκειται να αποκτήσουν νέες γνώσεις σε κοντινή απόσταση.