NASA zondas Saulės vėjo chaose aptiko netikėtą tvarką: dvi struktūros sukasi priešingomis kryptimis

Saulės vėjas gali būti kur kas labiau organizuotas, negu atrodo iš pirmo žvilgsnio. Išanalizavę NASA zondo „Parker Solar Probe“ matavimus, mokslininkai aptiko dvi skirtingų mastelių magnetinio lauko struktūras, kurių sukimosi kryptys priešingos. Šis rezultatas gali padėti paaiškinti, kaip Saulės vėjuje perduodama energija ir kodėl jo elgesį vis dar sunku tiksliai aprašyti.

Saulė nuolat išmeta į kosmosą įkrautų dalelių srautą, vadinamą Saulės vėju. Juo sklindanti plazma neša ir magnetinį lauką, kurio kryptis nuolat kinta. Šiuose srautuose vyksta turbulencija: skirtingo dydžio struktūros sąveikauja, deformuojasi ir perduoda energiją viena kitai.

Tokiame judėjime lengva įžvelgti vien chaosą, tačiau naujoji analizė parodė 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. Prie darbo prisidėjo Nobumitsu Yokoi iš Tokijo universiteto ir tarptautinė mokslininkų komanda. Tarp bendraautorių – Kalifornijos universiteto Berklyje mokslininkas Stuartas Bale’as, vadovaujantis zondo prietaiso, kurio duomenys naudoti analizei, komandai.

Prie pat Saulės išryškėjo du skirtingi signalai

Mokslininkai analizavo magnetinio lauko matavimus, surinktus nuo 2021 metų rugsėjo pabaigos iki lapkričio pabaigos. Tuo laikotarpiu zondas judėjo maždaug 0,1–0,78 astronominio vieneto atstumu nuo Saulės. Vienas astronominis vienetas yra vidutinis atstumas tarp Žemės ir Saulės.

Duomenys buvo nagrinėjami valandos trukmės atkarpomis, lyginant, kaip magnetinio lauko svyravimai atrodo skirtingose zondo kelionės vietose. Ryškiausia struktūra pasirodė maždaug 0,1 astronominio vieneto atstumu – gerokai arčiau Saulės, negu skrieja Žemė.

Čia tyrėjai matė du aiškius spektro pikus. Vienas buvo ties maždaug 10 hercų, arba dešimčia svyravimų per sekundę, o 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 ją įtikinamai atpažinti stebėjimuose buvo sudėtinga.

Kas iš tikrųjų „sukasi“ Saulės vėjuje?

Kalbant apie šį atradimą, nereikėtų įsivaizduoti dviejų didžiulių viesulų, matomų kosmoso nuotraukoje. Zondas registruoja, kaip laikui bėgant keičiasi magnetinio lauko kryptis. Praeinant tam tikroms bangoms, šis kitimas gali turėti vieną arba kitą sukimosi kryptį.

Tokius požymius fizikai nagrinėja pasitelkdami magnetinio spirališkumo matavimus. Jie padeda apibūdinti magnetinio lauko struktūrą 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, tačiau trūko duomenų, leidžiančių išsamiau palyginti jų elgesį skirtingais atstumais nuo Saulės.

„Parker Solar Probe“ matavimai suteikė galimybę šį vaizdą papildyti. Zondo artumas Saulei ir prietaisų gebėjimas registruoti greitus svyravimus leido išskirti struktūrą, kuri bendrame turbulencijos fone galėtų likti nepastebėta.

Tolstant nuo Saulės struktūra keitėsi greičiau, negu tikėtasi

Palyginę skirtinguose atstumuose surinktus duomenis, mokslininkai pastebėjo, kad abu pikai slenka į žemesnių dažnių pusę. Taikant tyrime naudojamas prielaidas, tai atitinka didesnius erdvinius mastelius.

Toks 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, negu paaiškintų vien paprastas plėtimasis.

Tyrėjai patikrino ir kitą galimybę: ar pikų padėtį lemia vietinės plazmos savybės bei būdingi protonų masteliai. Tačiau toks palyginimas nepašalino visų neatitikimų.

Tai leidžia 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 negu 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. Tačiau 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 vienoje vietoje, todėl iš tokių duomenų sudėtinga 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 irgi 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. Skirtingose vietose ir kitokiomis trajektorijomis judantys aparatai 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.