9 Minuten
Saulė kaip natūralus dalelių greitintuvas
Saulė nėra tik šviesos ir šilumos šaltinis Saulės sistemai; ji taip pat veikia kaip natūralus dalelių greitintuvas, paleidžiantis krūvines daleles, skirtas keliauti per planetinį tarpžvaigždinį erdvę. Pasinaudodami Europos kosmoso agentūros Solar Orbiter misijos duomenimis, mokslininkai dabar atsekė sparčiausias iš šių dalelių — didelės energijos elektronus — iki dviejų skirtingų Saulės kilmės vietų. Šis atradimas išsprendžia ilgai trunkančią neaiškumą dėl Saulės energetinių elektronų (SEE) ir pagerina mūsų gebėjimą prognozuoti pavojingą erdvės orą, galintį paveikti palydovus, astronautus ir žemės infrastruktūrą.
ESA Solar Orbiter parodė, kaip Saulė paleidžia du atskirus didelės energijos elektronų srautus, išspręsdama svarbią mįslę ir pažengusi erdvės oro apsaugos srityje. Credit: ESA & NASA/Solar Orbiter/STIX & EPD
Misija ir instrumentai: kaip Solar Orbiter susiejo įvykius
Solar Orbiter skrieja arčiau Saulės nei dauguma ankstesnių misijų ir turi kruopščiai integruotą nuotolinio stebėjimo bei in situ instrumentų komplektą. Nuo 2020 m. lapkričio iki 2022 m. gruodžio zondas užfiksavo daugiau nei 300 energetinių elektronų įvykių, suderindamas tiesioginius dalelių matavimus su tuo pačiu metu atliktais Saulės atmosferos vaizdais ir spektroskopiniais stebėjimais.
Solar Orbiter užfiksavo daugiau nei 300 „Saulės energetinių elektronų“ proveržių nuo 2020 m. lapkričio iki 2022 m. gruodžio. Pirmą kartą aiškiai matome ryšį tarp kosmose esančių energingų elektronų ir jų šaltinių Saulėje. Šiuos elektronus paleidžia dvi atskiros kilmės vietos: saulės žybsniai (mėlynos dėmės) ir koronaliniai masių išsiveržimai (raudonos dėmės). Saulės žybsniai išskiria trumpus, greitus elektronų pliūpsnius, o koronaliniai masių išsiveržimai (CME) išskiria platesnius ir lėtesnius energingų elektronų srautus. Credit: ESA & NASA/Solar Orbiter/STIX & EPD
Tyrimui naudotas duomenų rinkinys remiasi aštuoniais iš dešimties Solar Orbiter mokslinių instrumentų. Svarbiausi indėliai buvo:
- Energetic Particle Detector (EPD): in situ matavimai elektronų srautams ir energijoms, kai Solar Orbiter skriejo per šiuos srautus.
- Spectrometer/Telescope for Imaging X-rays (STIX): fiksavo rentgeno spinduliuotę, kurią sukelia energingi elektronai, trenkdamiesi į Saulės atmosferą.
- Extreme Ultraviolet Imager (EUI) ir Metis koronografas: suteikė kontekstą Saulės kilmei — saulės žybsniams, strėlėms ir koronaliniams masių išsiveržimams (CME).
Suderinus in situ dalelių aptikimą su nuotoliniais Saulės stebėjimais, mokslininkai galėjo nustatyti ne tik kada, bet ir kur elektronai buvo pagreitinti bei kaip jie pabėgo į tarpplanetinę erdvę. Kaip pažymi pagrindinis autorius Alexander Warmuth (Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam): „Artindamiesi taip arti mūsų žvaigždės, galėjome išmatuoti daleles palyginti švarioje pradine būsenoje ir taip tiksliai nustatyti laiką ir vietą, kur jos pradėjo kilti Saulėje.“
Identifikuotos dvi atskiros elektronų populiacijos
Pagrindinis rezultatas — aiškus skirtumas tarp dviejų Saulės energetinių elektronų įvykių tipų:
- Impulsiniai įvykiai, susiję su saulės žybsniais: jie sukelia trumpus, intensyvius didelės energijos elektronų pliūpsnius, kurie greitai paleidžiami palei magnetinio lauko linijas. Žybsniai vyksta mažesnėse, labai aktyviose Saulės paviršiaus vietose ir dažnai sukelia siaurus purslus bei lokalizuotą rentgeno spinduliuotę.
- Lėtiniai įvykiai, susiję su koronaliniais masių išsiveržimais (CME): CME yra milžiniški plazmos ir magnetinio lauko išmetimai iš Saulės koronos. Jie gali pagreitinti ir įvesti elektronus lėčiau bei plačiame ilguma diapazone, generuodami ilgesnius energingų dalelių bangavimus.
„Matome aiškų suskirstymą tarp 'impulsinių' dalelių įvykių, kai energingi elektronai iš Saulės paviršiaus išsiveržia pliūpsniais per saulės žybsnius, ir 'lėtinių' įvykių, susijusių su plačiais CME, kurie per ilgesnį laiką išleidžia platesnį dalelių kiekį“, — sako Alexander Warmuth.
Solar Orbiter užfiksavo šį saulės žybsnį 2022 m. lapkričio 11 d. naudodamas Extreme Ultraviolet Imager (EUI) ir Spectrometer/Telescope for Imaging X-rays (STIX). EUI kadras (geltonas) rodo milijono laipsnių temperatūros dujas Saulės atmosferoje. Plonas dujų išsiveržimas iš žybsnio, vadinamas saulės strėle, aiškiai matyti judantis į apačią dešinėn. Saulės žybsniai išskiria elektronus tiek į išorę, į kosmosą, tiek į vidų, link Saulės paviršiaus. Smūgiuodami į paviršių, jie generuoja rentgeno spinduliuotę. Ši rentgeno emisija, įrašyta STIX, perteikta mėlyna spalva. Credit: ESA & NASA/Solar Orbiter/EUI & STIX
Kaip keliauja dalelės: aptikimo vėlavimai ir transporto efektai
Viena nuolatinė mįslė, nagrinėta tyrime, yra kintamas vėlavimas tarp nuotoliniu būdu pastebėtos Saulės išsiveržimo (žybsnio ar CME) ir energingų elektronų aptikimo šalia zondo. Kai kuriais atvejais elektronai pasirodo tik po kelių valandų nuo pradinio Saulės įvykio. Solar Orbiter duomenys rodo, kad dalis šio vėlavimo nėra vidinis Saulės delsimas, o transporto efektų saulės vėjyje rezultatas.
Sklaidymas ir turbulencija heliosferoje
Tarpplanetinę erdvę užpildo saulės vėjas — viršgarsinis plazmos srautas, nešantis Saulės magnetinį lauką. Ši magnetizuota plazma yra turbulentiška: netolygumai ir bangos sklaido krūvines daleles. Elektronams plaukiant į išorę, jie susiduria su magnetine turbulencija, kuri gali pakeisti jų kryptį ir greitį, sukeldama aptikimo vėlavimus ir išblukindama pirminį pliūpsnio signalą.
„Paaiškėjo, kad tai bent iš dalies susiję su tuo, kaip elektronai keliauja per erdvę — tai gali būti delsimas paleidime, bet taip pat ir delsimas aptikime“, — sako ESA mokslo tyrėja Laura Rodríguez-García. „Elektronai susiduria su turbulencija, būna išsklaidyti įvairiomis kryptimis ir pan., todėl mes jų neaptinkame iš karto. Šie efektai kaupiasi tolstant nuo Saulės.“
Kadangi Solar Orbiter atliko matavimus arčiau Saulės, jis galėjo užfiksuoti elektronus palyginti 'švarioje' būsenoje, prieš neišvengiamus sklaidos efektus. Lyginant stebėjimus skirtinguose radijo atstumuose, komanda galėjo atskirti šaltinio savybes (žybsnis prieš CME) nuo transporto efektų heliosferoje.
Mokslinė reikšmė ir pasekmės erdvės oro prognozėms
Atskiriant žybsnių ir CME sukeltas elektronų populiacijas, pagerėja erdvės oro (space weather) numatymas. CME paprastai kelia didesnę grėsmę, nes juose būna daugiau didelės energijos dalelių ir dažnai susiformuoja smūginės bangos, toliau pagreitinančios krūvines daleles. Nustatydami, kuris įvykis sukėlė stebėtus energingus elektronus, prognozuotojai gali geriau įvertinti radiacijos epizodų sunkumą ir trukmę.
Žemės apsauga Svarbu pabrėžti, kad šis atradimas reikšmingas mūsų supratimui apie erdvės orą, kur tikslūs prognozės metodai yra būtini, kad palydovai veiktų saugiai. Vienas iš dviejų SEE įvykių tipų yra ypač svarbus erdvės oro rizikai: tie, susiję su CME, dažniau turi daugiau aukštos energijos dalelių ir kelia didesnę žalą. Todėl gebėjimas atskirti šiuos du elektronų tipus yra labai aktualus prognozavimo praktikoms.
„Tokios žinios iš Solar Orbiter padės ateityje apsaugoti kosminius aparatus, leisdamos geriau suprasti Saulės kilusius energingus dalelių srautus, kurie kelia grėsmę mūsų astronautams ir palydovams“, — sako Daniel Müller, ESA Solar Orbiter projekto mokslininkas. Tyrimo duomenų rinkinys sudaro augančią duomenų bazę, kurią pasaulio mokslininkai naudos tobulindami dalelių pagreičio ir sklaidos modelius.
Susijusios technologijos, veikiančios misijos ir tolesni žingsniai
Šis tyrimas pabrėžia, kaip koordinuoti instrumentai — derinant in situ dalelių detektorius su aukštos raiškos Saulės vaizdais ir spektroskopija — leidžia pasiekti proveržį supratime apie Saulės dalelių pagreitį. Šios išvados naudingos tiek moksliniams tyrimams, tiek operatyvinei erdvės oro infrastruktūrai.
Solar Orbiter užfiksavo šį koronalinį masių išsiveržimą (CME) 2022 m. lapkričio 19 d. CME yra milžiniškas milijardų tonų plazmos ir kartu einančių magnetinių laukų protrūkis iš Saulės išorinės atmosferos. Metis instrumentas įamžina Saulės išorinę atmosferą uždengdami jos šviesų diską, panašiai kaip visiško saulės užtemimo metu. Šiame filme Saulės dydis ir padėtis vaizduojami baltu apskritimu. Credit: ESA & NASA/Solar Orbiter/Metis
Ateities misijos: Vigil ir SMILE
Dvi artėjančios ESA misijos išplės mūsų stebėjimo galimybes:
- Vigil (paleidimas ~2031 m.): veiks pozicijoje, stebinčioje Saulės rytinį ir vakarinį bortą (Saulės „šoną“ Žemės atžvilgiu), kad anksčiau aptiktų CME, kurie gali sukti trajektoriją link Žemės. Nuolatinis Vigil šoninis stebėjimas pagerins prognozių pradines pranešimo laiką apie CME trajektorijas, greitį ir poveikio tikimybę.
- SMILE (Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer, planuojamas paleidimas): tirs dinaminį saulės vėjo dalelių ir Žemės magnetosferos bei jonosferos sąveikos procesą, paaiškindama, kaip energingi elektronų srautai ir kiti Saulės išmetimai trikdo planetos magnetinį skydą.
Šios misijos kartu su Solar Orbiter ir kitais observatorijomis sudarys daugiaperspektyvinį tinklą, kuris pagerins tiek fizikos supratimą, tiek operatyvines prognozes.
Ekspertų įžvalgos
Dr. Maya Singh, vyresnioji heliofizikė pagrindiniame universitete (fiktyvus ekspertas), komentuoja: „Solar Orbiter atskyrė dviejų Saulės pagreitinimo procesų 'pirštų atspaudus'. Elektronų stebėjimas arti jų kilmės sumažina neapibrėžtumą, kurį sukelia transporto efektai saulės vėjuje. Praktiniu požiūriu tai reiškia geresnius modelius radiacijos aplinkai aplink palydovus ir aiškesnius kriterijus apsaugos protokolams įjungti.“
Dr. Singh priduria: „Nuotolinių ir in situ matavimų derinys vienoje misijoje yra paradigma būsimiems heliofizikos projektams. Papildžius šoninius stebėjimus, tokius kaip Vigil, ir taikinius magnetosferos tyrimus, tokius kaip SMILE, mūsų gebėjimai prognozuoti erdvės orą žymiai pagerės.“
Išvados
Solar Orbiter stebėjimai išsprendė svarbų klausimą apie greičiausias Saulės krūtines daleles, parodydami, kad energingi elektronai pasireiškia dviem pagrindinėmis formomis: impulsiniais pliūpsniais iš saulės žybsnių ir lėtesniais bangavimais, susijusiais su koronaliniais masių išsiveržimais. Išmatuodama daugiau nei 300 SEE įvykių su papildomais instrumentais ir arčiau Saulės nei ankstesni zondai, misija atskyrė šaltinių charakteristikas nuo transporto efektų, kuriuos sukelia turbulentingas saulės vėjas. Šis rezultatas stiprina erdvės oro prognozavimą, informuoja apsaugos strategijas palydovams ir astronautams bei sukuria pagrindą naujoms misijoms — Vigil ir SMILE — kurios dar labiau išplės mūsų stebėjimo aprėptį Saulė–Žemė sistemoje. Auganti Solar Orbiter duomenų bazė toliau tarnaus pasaulinei heliofizikos bendruomenei, kai tobulinsime dalelių pagreičio, sklaidos ir poveikio modelius.
Quelle: scitechdaily
Kommentare