Saulės vėjas gali būti daug labiau organizuotas, nei atrodo iš pirmo žvilgsnio. Išanalizavę NASA zondo „Parker Solar Probe“ matavimus, mokslininkai rado dvi skirtingų mastelių magnetinio lauko struktūras, kurios sukasi priešingomis kryptimis. Šis rezultatas gali padėti paaiškinti, kaip Saulės vėjyje perduodama energija ir kodėl jo elgesį vis dar sunku tiksliai aprašyti.
Saulė nuolat į kosmosą skleidžia įkrautų dalelių srautą, vadinamą Saulės vėju. Šio srauto plazma neša ir magnetinį lauką, kurio kryptis nuolat keičiasi. Srautuose vyksta turbulencija: skirtingo dydžio struktūros sąveikauja, deformuojasi ir viena kitai perduoda energiją.
Tokiame judėjime lengva matyti vien chaosą, tačiau nauja analizė atskleidė aiškų pasikartojantį požymį. Viename dažnių diapazone vyravo vienos krypties magnetinio lauko sukimasis, o kitame, maždaug dvigubai didesnio dažnio, – priešingos krypties.
Tyrimui vadovavo Masatomi Iizawa iš Braunšveigo technikos universiteto. Prisidėjo Nobumitsu Yokoi iš Tokijo universiteto ir tarptautinė mokslininkų komanda. Tarp bendraautorių – Kalifornijos universiteto Berklyje mokslininkas Stuartas Bale’as, vadovaujantis zondo prietaiso, kurio duomenys panaudoti analizėje, komandai.
Prie pat Saulės išryškėjo du skirtingi signalai
Mokslininkai nagrinėjo magnetinio lauko matavimus, surinktus nuo 2021 metų rugsėjo pabaigos iki lapkričio pabaigos. Tuo metu zondas judėjo maždaug 0,1–0,78 astronominio vieneto atstumu nuo Saulės. Vienas astronominis vienetas – vidutinis atstumas tarp Žemės ir Saulės.
Duomenys buvo skirstomi į valandos trukmės atkarpas, kad būtų galima palyginti, kaip magnetinio lauko svyravimai atrodo skirtingose zondo kelionės vietose. Ryškiausia struktūra pasirodė maždaug 0,1 astronominio vieneto atstumu – gerokai arčiau Saulės, nei skrieja Žemė.
Čia tyrėjai pastebėjo du aiškius spektro pikus. Vienas buvo ties maždaug 10 hercų, arba dešimčia svyravimų per sekundę, kitas – ties maždaug 20 hercų. Su šiais pikais buvo susijusios priešingos magnetinio lauko sukimosi kryptys.
Svarbus pats derinys: du skirtingi masteliai ir priešingi sukimosi požymiai pasirodė kartu. Tokia dvigubo, priešingo spirališkumo struktūra buvo numatyta teoriniuose modeliuose, tačiau įtikinamai atpažinti ją stebėjimuose buvo sudėtinga.
Kas iš tikrųjų „sukasi“ Saulės vėjyje?
Kalbant apie šį atradimą, nereikėtų įsivaizduoti dviejų milžiniškų viesulų, matomų kosmoso nuotraukoje. Zondas fiksuoja, kaip laikui bėgant kinta magnetinio lauko kryptis. Kai pro jį praeina tam tikros bangos, šis kitimas gali turėti vieną arba kitą sukimosi kryptį.
Tokius požymius fizikai tiria matuodami magnetinį spirališkumą. Jis padeda apibūdinti magnetinio lauko sandarą ir atskirti skirtingo pobūdžio svyravimus.
Didesniuose Saulės vėjo masteliuose ankstesni stebėjimai dažnai rodydavo menką bendrą vienos krypties persvarą: skirtingi sukimosi požymiai vidutiniškai tarsi atsverdavo vienas kitą. Mažesniuose masteliuose aiškesni signalai jau buvo pastebėti, bet trūko duomenų, kad būtų galima išsamiau palyginti jų elgesį skirtingais atstumais nuo Saulės.
„Parker Solar Probe“ matavimai šį vaizdą leido papildyti. Zondo artumas Saulei ir prietaisų gebėjimas registruoti greitus svyravimus padėjo išskirti struktūrą, kuri bendrame turbulencijos fone galėjo likti nepastebėta.
Tolstant nuo Saulės struktūra keitėsi greičiau, nei tikėtasi
Palyginę skirtinguose atstumuose surinktus duomenis, mokslininkai pastebėjo, kad abu pikai slenka link žemesnių dažnių. Pagal tyrime taikomas prielaidas, tai atitinka didesnius erdvinius mastelius.
Šis pokytis buvo matomas maždaug 0,1–0,4 astronominio vieneto atstumu nuo Saulės. Dalį jo galima sieti su tuo, kad Saulės vėjas toldamas plečiasi. Vis dėlto stebėtas kitimas buvo spartesnis, nei paaiškintų vien paprastas plėtimasis.
Tyrėjai patikrino ir kitą galimybę: ar pikų padėtį lemia vietinės plazmos savybės bei būdingi protonų masteliai. Tačiau ir toks palyginimas nepašalino visų neatitikimų.
Todėl galima svarstyti, kad aptiktos struktūros priklauso nuo platesnės skirtingų mastelių sąveikos. Kitaip tariant, tam tikroje vietoje užfiksuoto signalo gali nepavykti paaiškinti vien tuo, kokios plazmos sąlygos tuo metu yra aplink zondą.
Atradimas gali padėti suprasti, kur keliauja turbulencijos energija
Vienas svarbiausių Saulės vėjo tyrimų klausimų – kaip jo energija persiskirsto ir virsta dalelių šilumine energija. Turbulencijoje energija dažnai perduodama iš didesnių struktūrų į mažesnes, tačiau plazmoje šis procesas gali būti sudėtingesnis nei įprastame skystyje.
Viena teorinė idėja numato, kad ties perėjimu nuo stambesnio, skysčio pobūdžio judėjimo prie dalelių procesų gali susidaryti vadinamasis spirališkumo barjeras. Jis galėtų pristabdyti dalies energijos perdavimą į mažesnius mastelius ir pakeisti jos pasiskirstymą.
Naujosios analizės rezultatai dera su kai kuriomis šios idėjos prognozėmis. Vis dėlto mokslininkai tiesiogiai neišmatavo paties energijos tekėjimo tarp mastelių, todėl stebėjimų dar negalima laikyti galutiniu viso mechanizmo patvirtinimu.
Aptikta struktūra suteikia konkretų požymį, kurį galima lyginti su teoriniais modeliais ir tikrinti kitais matavimais.
Toliau nuo Saulės signalai išnyko, bet priežastis dar neaiški
Zondui nutolus daugiau nei maždaug pusę astronominio vieneto, abu ryškūs pikai palaipsniui išnyko. Vienas galimas paaiškinimas susijęs su heliosferos srovės sluoksniu – sritimi, skiriančia priešingo magnetinio lauko poliškumo regionus.
Šios srities kirtimas galėjo pakeisti matomą struktūrą. Tačiau tyrėjai neatmeta ir to, kad rezultatą veikė pati zondo trajektorija bei tai, kokias Saulės vėjo sritis jis tuo metu kirto.
Vienas erdvėlaivis matuoja aplinką tik vienoje vietoje, todėl iš tokių duomenų sunku atkurti visą trimatį vaizdą. Taip pat reikia atskirti, ar užfiksuotas kitimas atsirado dėl pačios struktūros evoliucijos, ar dėl to, kad pro zondą praskriejo kita jos dalis.
Laikinių svyravimų perskaičiavimas į erdvinius mastelius taip pat remiasi prielaidomis. Tyrėjų vertinimu, su šiuo perskaičiavimu susijęs neapibrėžtumas gali siekti maždaug 2,5 karto.
Kuo šis atradimas svarbus Žemei?
Saulės vėjas sąveikauja su Žemės magnetine aplinka, todėl jo savybių supratimas svarbus kosminių orų tyrimams. Tačiau šis darbas nėra perspėjimas apie artėjančią pavojingą Saulės audrą. Jame nagrinėjami anksčiau surinkti duomenys ir procesai, padedantys paaiškinti paties Saulės vėjo elgesį.
Tolesniems patikrinimams gali praversti Europos kosmoso agentūros zondo „Solar Orbiter“ matavimai. Aparatai, judantys skirtingose vietose ir kitokiomis trajektorijomis, leidžia palyginti reiškinius, kuriuos vienam zondui atskirti sunku.
Žurnale „The Astrophysical Journal Letters“ paskelbtas tyrimas pateikia naują užuominą: Saulės vėjo turbulencijoje slypi išmatuojama tvarka. Dabar reikės išsiaiškinti, kaip dažnai ši dviguba struktūra susidaro, kas ją palaiko ir kodėl tolstant nuo Saulės jos požymiai išnyksta.
