Auringon koronan pitkään arvoituksena ollut lämmitys selviää

Aurinko on piilotellut ärsyttävää salaisuutta ilmeisesti kaikkien nähtävillä. Sen pinnan lämpötila on noin 5 500 celsiusastetta, mutta korona, tuo miljoonia kilometrejä avaruuteen ulottuva haamuinen ulompi ilmakehä, hehkuu yli miljoonan asteen lämpötiloissa. Vuosikymmenten ajan aurinkofysiikot ovat kamppailleet saman kysymyksen kanssa: miten ulompi kerros voi olla huomattavasti kuumempi kuin sen alla oleva tähti?

Nyt tutkijat sanovat, että he ovat vihdoin onnistuneet kiinni ottamaan yhden keskeisistä epäillyistä toiminnassa. Havaintonsa perusteella Daniel K. Inouye -aurinkoteleskoopilla Hawaijilla, maapallon voimakkaimmalla aurinkoteleskoopilla, tiedemiehet ovat suoraan havainneet vaikeasti tavoitettavia kiertyviä magneettisia liikkeitä, niin kutsuttuja torsioaalisia Alfvén-aaltoja, Auringon koronassa. Tulokset, jotka julkaistiin Nature Astronomy -lehdessä, tukevat merkittävästi yhtä pitkään ehdotetuista selityksistä koronan lämmitysongelmaan.

Nämä aallot ennusti ensimmäisenä vuonna 1942 ruotsalainen fyysikko Hannes Alfvén. Yksinkertaisesti sanottuna ne ovat pyöriviä häiriöitä, jotka etenevät plasmassa pitkin magneettikentän viivoja, kiertyen noita näkymättömiä rakenteita edestakaisin kuin kierretty jousi. Tutkijat ovat pitkään epäilleet, että ne voivat siirtää suuria määriä energiaa ylöspäin Auringon ilmakehässä. Ongelma on ollut todistaa, että ne todella ovat siellä.

Se ei ollut helppoa. Korona koostuu ylikuumenetusta plasmasta, aineen tilasta, jossa atomit ovat niin energisoituneita, että elektronit irtoavat ytimistä ja muodostavat varattujen hiukkasten meren, joka reagoi voimakkaasti magneettisuuteen. Tässä ympäristössä plasma virtaa kapeissa magneettikanavissa, joita usein kutsutaan fluxiputkiksi. Näissä rakenneissa puhdas Alfvénin tunnus ei ole sivuttaisheilunta vaan kiertyminen.

Mitä teleskooppi lopulta näki

Läpimurto syntyi teleskoopin kryogeenisen lähi-infrapuna-spektropolarimetrin, Cryo-NIRSP:n, avulla, instrumentin suunniteltu tutkimaan koronan hienorakennetta magneettien ja plasman osalta poikkeuksellisella tarkkuudella. Professori Richard Mortonin (Northumbria University) johtama tutkimusryhmä seurasi rautaa, jonka lämpötila oli suunnilleen 1,6 miljoonaa celsiusastetta, ja kehitti tavan erottaa kiertyvät liikkeet paljon ilmeisemmästä keinumisliikkeestä, joka yleensä hallitsee havaintoja.

Morton kertoi, että etsintä on kestänyt 1940-luvulta asti, ja tiimi on nyt voinut suoraan havaita magneettikentän viivojen kiertyvän koronan alueella edestakaisin. Tämä on merkityksellistä, koska keinuvat aallot ja kiertyvät aallot eivät ole sama asia. Kink-aallot liikuttavat koko magneettirakennetta sivuttaissuunnassa. Torsioaaliset Alfvén-aallot pyörittävät niitä akselinsa ympäri.

Piilotetun pyörimisen havaitsemiseksi tutkijat turvautuivat spektroskopiaan, joka mittaa aineen ja valon vuorovaikutusta. Aurinkohavainnoissa liikkuva plasma siirtää hieman aallonpituuksia Dopplerin ilmiön kautta. Maata kohti liikkuva aine aiheuttaa sinisiirtymän. Maasta poispäin liikkuva aiheuttaa punasiirtymän. Kun vastakkaiset signaalit ilmestyvät saman magneettirakenteen molemmille puolille, ne paljastavat kiertyvän liikkeen, joka muuten pysyisi näkymättömänä.

Ja juuri sitä tiedot näyttivät. Jopa rauhallisessa koronassa, kaukana voimakkaimmista aurinkopurkauksista, nämä torsioaaliset aallot näyttävät olevan jatkuvasti läsnä.

Mitoitetut amplitudit ovat suhteellisen pieniä, mutta tutkijat varoittavat, että aaltojen todellinen voimakkuus todennäköisesti aliarvioidaan havainnointimenetelmien vuoksi. Siitä huolimatta aallot saattavat kuljettaa merkittävän osan energiasta, joka tarvitaan koronan lämmittämiseen ja aurinkotuulen käynnistämiseen.

Tällä on seurauksia kaukana pelkästä aurinkoteoriasta. Aurinkotuuli on supersoninen virtaus varautuneita hiukkasia, joka virtaa Auringosta ulospäin muokaten heliosfääria ja vaikuttaen olosuhteisiin koko aurinkokunnassa. Kun magneettiset häiriöt kulkevat sen mukana, ne voivat häiritä satelliitteja, GPS-järjestelmiä, radioviestintää ja jopa sähköverkkoja Maassa.

Siksi löytö on enemmän kuin mielenkiintoinen astrofysiikan havainto. Se vahvistaa fysikaalisia malleja, joita tutkijat käyttävät selittämään, miten energia liikkuu aurinkoilmapiirissä ja miten Alfvén-aaltojen ylläpitämä turbulenssi voi ruokkia sekä koronan lämmitystä että aurinkotuulta. Se saattaa myös auttaa selittämään NASA:n Parker Solar Probe -luotaimen havaitsemia arvoituksellisia magneettisia käänteitä, äkillisiä käänteitä aurinkotuulen magneettikentässä, jotka näyttävät sisältävän merkittävää energiaa.

Tutkimuksessa oli mukana tutkijoita Kiinasta, Belgiasta, Yhdistyneestä kuningaskunnasta ja Yhdysvalloista, mikä muistuttaa siitä, että Auringon syvimpiä arvoituksia harvoin ratkaistaan eristyksissä. Kun Inouye-aurinkoteleskooppi nyt tarjoaa ennennäkemättömän korkean resoluution näkymiä koronasta, tutkijat odottavat uutta vastausten aaltoa siitä, miten magneettien energia kulkee, sotkeutuu ja purkautuu Auringon pinnan yläpuolella.

Yli 80 vuoden teorian, epäilyn ja teknisten vaikeuksien jälkeen yksi aurinkofysiikan sitkeimmistä mysteereistä on vihdoin alkanut antaa periksi. Ei räjähdyksellä, vaan kiertymisellä.