Znanstveniki pojasnili skrivnostno značilnost, ki nadzoruje magnetne lastnosti sonca

Znanstveniki z Univerze v Kaliforniji v Santa Cruzu so s pomočjo enega najzmogljivejših Nasin superračunalnikov razvili prve popolnoma samokonsistentne modele notranjosti Sonca, ki uspešno reproducirajo tahoklino – tanko in skrivnostno plast v sončevi notranjosti, za katero se že desetletja domneva, da je ključna pri ustvarjanju magnetnih polj. Rezultati, objavljeni v reviji The Astrophysical Journal Letters, pomenijo pomemben korak pri razumevanju sončne dinamike in posledično tudi pri napovedovanju vesoljskega vremena.

Tahoklina se nahaja na meji med dvema zelo različnima območjema Sonca. Pod njo je sevalna cona, kjer se notranjih 70 odstotkov Sonca po polmeru vrti skoraj povsem togo, podobno kot trdno telo. Nad tahoklino pa je konvektivna cona, ki predstavlja zunanjih 30 odstotkov Sonca in kjer se plazma premika turbulentno ter se vrti diferencialno – ekvator hitreje kot poli.

Prav na tem vmesnem območju nastajajo velike hitrosti in strižna gibanja, za katera znanstveniki verjamejo, da poganjajo sončni dinamo – proces, ki ustvarja magnetna polja.

Čeprav je tahoklina izjemno tanka, ima ključno vlogo v sončevem življenju. Magnetna polja, ki jih poganja dinamo, sprožajo sončne izbruhe, koronalne izmete mase in druge pojave, ki lahko vplivajo na Zemljo, denimo z motnjami v satelitskih komunikacijah in elektroenergetskih omrežjih. Boljše razumevanje te plasti bi zato lahko vodilo k natančnejšim napovedim vesoljske vremenske aktivnosti.

Nova pot v modeliranju Sonca

Helioseizmologija – metoda, ki s pomočjo zvočnih valov razkriva notranjo strukturo Sonca – je konec osemdesetih let prvič pokazala obstoj tahokline. Toda matematični modeli, ki bi razložili njen izvor in lastnosti, so se izkazali za izjemno zahtevne. Razlog je v tem, da Sonce kot masivna krogla plazme vsebuje procese na zelo različnih prostorskih in časovnih skalah, od nekaj metrov pa do milijona kilometrov, kar simulacije močno otežuje.

Raziskovalna ekipa pod vodstvom Lorenza Matilskyja, podoktorskega raziskovalca na UC Santa Cruz, je zato posegla po „junaških“ izračunih – izjemno obsežnih simulacijah magnetne dinamike tekočin. Pri tem so uporabili Nasin superračunalnik Pleiades, ki je v 15 mesecih izvedel več deset milijonov ur računalniških operacij.

„Veliko se učimo o dinamiki našega Sonca, a ker je Sonce le ena zvezda, nam ti modeli pomagajo razumeti tudi, kako podobni procesi delujejo pri drugih zvezdah,“ je poudaril Matilsky.

Astronomi in študenti ujeli rast repa medzvezdnega kometa 3I/ATLAS (video)

Prvi samokonsistentni model tahokline

V preteklosti so simulacije pogosto precenjevale vpliv viskoznosti, ki bi tahoklino razširila precej bolj, kot jo opažamo. Nova študija pa je dala prednost procesu, imenovanemu radiativno širjenje, ki je veliko bolj realističen in omogoča, da tahoklina ostane ozka plast.

„Če bi gledali samo začetne dinamike, bi pričakovali, da bo tahoklina veliko širša,“ je pojasnil Nicholas Brummell, profesor uporabne matematike na UC Santa Cruz. „Toda naše simulacije so pokazale, da magnetna polja, ki nastajajo v konvektivni coni, pravzaprav pomagajo ohranjati tahoklino tako tanko.“

Zanimivo je, da so raziskovalci ugotovili nekakšno obratno zanko: čeprav tahoklina spodbuja delovanje dinama, se zdi, da dinamo sam pomaga ustvarjati tahoklino.

Posledice za razumevanje zvezd in planetov

Ugotovitve niso pomembne le za razumevanje Sonca. Magnetne lastnosti zvezd so eden ključnih dejavnikov pri oblikovanju pogojev za nastanek planetov in morda tudi življenja. Raziskovalci zato menijo, da vpogled v dinamiko tahokline lahko pomaga tudi pri študiju eksoplanetov in njihovih zvezdnih sistemov.

„Vprašanja tahokline postajajo še toliko bolj pomembna v luči drugih zvezdnih sistemov in iskanja planetov, ki bi lahko gostili življenje,“ je dejal Matilsky.

Astronomi zaznali protoplanet AB Aurigae b v svetlobi vodika H-alfa

Povezava z vesoljskim vremenom

Na praktični ravni lahko boljši modeli tahokline prispevajo k boljšim napovedim sončne aktivnosti. Močni sončni izbruhi in koronalni izmeti mase lahko v nekaj minutah ali urah dosežejo Zemljo in povzročijo hude motnje. Natančnejše razumevanje, kako in kdaj nastajajo ta polja, bi lahko omogočilo razvoj zanesljivejših sistemov zgodnjega opozarjanja.

Raziskava je bila izvedena v okviru večjega znanstvenega konzorcija COFFIES (DRIVE Science Center for Consequences of Fields and Flows in the Interior and Exterior of the Sun), ki združuje več univerz in inštitutov v ZDA. Ekipa načrtuje nadaljnje delo z izboljšanimi modeli, ki bodo upoštevali še več fizikalnih procesov in morda osvetlili tudi prehodne pojave, kot so spremembe magnetnih polj skozi sončne cikle.

„To je šele začetek,“ je sklenil Brummell. „Prvič smo pokazali, da lahko s pravim vrstnim redom procesov spontano nastane tahoklina. Zdaj lahko gradimo še naprej, da bomo bolje razumeli, kako Sonce in druge zvezde delujejo v svojem bistvu.“

Vir: Univerza v Kaliforniji – Santa Cruz, The Astrophysical Journal Letters.

Miha D. Kovač

Foto: Freepik

Objava Znanstveniki pojasnili skrivnostno značilnost, ki nadzoruje magnetne lastnosti sonca je bila najprej objavljena na Portal24.