Undele Alfvén sau de ce coroana solară este de sute de ori mai fierbinte decât fotosfera

Temperatura la suprafața vizibilă a Soarelui sau a fotosferei este de aproximativ 6.000 °C. Cu toate acestea, la câteva mii de kilometri deasupra, o distanță mică dacă ţinem cont de mărimea Soarelui, atmosfera solară, numită și coroană, este de sute de ori mai fierbinte, ajungând la un milion de grade Celsius sau chiar mai mult

Această creștere a temperaturii, în pofida măririi distanței față de principala sursă de energie a Soarelui, a fost observată la majoritatea stelelor și reprezintă un puzzle fundamental pe care astrofizicienii l-au analizat timp de decenii.

În 1942, omul de știință suedez Hannes Alfvén a propus o explicație  El a teoretizat că undele din plasma solară pot transporta cantități uriașe de energie de-a lungul câmpului magnetic al Soarelui, din interior până la coroană, ocolind fotosfera şi transferând căldura în atmosfera superioară a Soarelui.

Teoria a fost acceptată cu titlu provizoriu, cu observaţia că erau necesare dovezi observaționale că aceste unde există cu adevărat.

Coroana solară. Credit: Mongta Studio/Shutterstock

Studiul nostru recent a îndeplinit, în cele din urmă, acest obiectiv, validând teoria veche de 80 de ani a lui Alfvén, ceea ce ne aduce cu un pas mai aproape de valorificarea acestui fenomen pe Pământ.

Întrebări arzătoare

Problema încălzirii coroanei solare a fost semnalată încă de la sfârșitul anilor 1930, atunci când astronomul suedez Bengt Edlén (specializat în spectroscopie) și astrofizicianul german Walter Grotrian au observat, pentru prima dată, fenomene în coroana Soarelui care putea fi prezente doar dacă temperatura acesteia ar fi fost de câteva milioane de grade Celsius.

S-a dovedit că temperatura coroanei solare este de până la 1.000 de ori mai mare decât cea a fotosferei, care este suprafața Soarelui pe care o putem vedea de pe Pământ.

Estimarea temperaturii fotosferei este relativ simplă: trebuie doar să analizăm spectrul electromagnetic care ajunge de la Soare pe Pământ și să-l comparăm cu modelele de spectru care prezic temperatura sursei luminii.

De-a lungul mai multor decenii de studiu, temperatura fotosferei a fost estimată, constant, la aproximativ 6.000 °C.

Constatarea lui Edlén și Grotrian, conform căreia coroana Soarelui este mult mai fierbinte decât fotosfera, în ciuda faptului că se află mai departe de nucleul Soarelui, sursa sa de energie, a contrariat comunitatea științifică.

Temperatura extremă a coroanei Soarelui este una dintre cele mai mari probleme din astrofizică.

Oamenii de știință au studiat proprietățile Soarelui pentru a explica această discrepanţă între teorie şi observaţiile astronomice.

Soarele este compus aproape în totalitate din plasmă, care este un gaz, puternic ionizat, încărcat electric. Mișcarea acestei plasme în zona de convecție, partea superioară a interiorului solar, produce curenți electrici de mare intensitate și câmpuri magnetice puternice.

Aceste câmpuri sunt antrenate în sus, din interiorul Soarelui, prin convecție și ajung pe suprafața vizibilă a Soarelui unde sunt observate sub formă de pete solare întunecate, care sunt grupuri de câmpuri magnetice care pot forma o varietate de structuri magnetice în atmosfera solară.

Aici intervine teoria lui Alfvén. El a argumentat că în plasma magnetizată a Soarelui orice mișcare în masă a particulelor încărcate electric perturbă câmpul magnetic, creând unde care pot transporta cantități uriașe de energie pe distanțe mari, de la suprafața Soarelui până în atmosfera sa superioară.

Căldura se deplasează de-a lungul unor tuburi de flux magnetic solar înainte de a ajunge în coroană, generând o temperatură mult mai mare decât în fotosferă.

Petele solare sunt pete mai întunecate de pe suprafața Soarelui. Credit:Siberian Art / Shutterstock

Aceste unde de plasmă magnetizată sunt acum numite unde Alfvén, iar pentru rolul lor în explicarea încălzirii coroanei solare Alfvén a primit Premiul Nobel pentru fizică în 1970.

Observarea undelor Alfvén

Din momentul teoretizării existentei lor, oamenii de ştiinţă s-au confruntat cu problema observării efective a undelor Alfvén.

Pe suprafața Soarelui și în atmosfera acestuia se produc atât de multe fenomene, de la fenomene la o scară dimensională mai mare decât cea a Pământului până la fenomene care implică mici modificări aflate sub rezoluția instrumentelor noastre, încât dovezile observaționale directe ale undelor Alfvén din fotosferă nu au fost găsite până acum.

Progresele recente în instrumentele de observaţie a Soarelui au deschis o nouă eră în fizica solară. Un astfel de instrument este  Interferometric Bidimensional Spectropolarimeter (IBIS) pentru spectroscopie imagistică, instalat la telescopul Dunn Solar din statul american New Mexico. Acest instrument ne-a permis să facem observații și măsurători mult mai detaliate ale Soarelui.

Cu ajutorul IBIS, a simulărilor computerizate avansate și eforturilor unei echipe internaționale de oameni de știință din șapte institute de cercetare, am confirmat în cele din urmă, pentru prima dată, existența undelor Alfvén în tuburile de flux magnetic solar.

O nouă sursă de energie

Descoperirea directă a undelor Alfvén în fotosfera solară este un pas important către exploatarea potențialului lor energetic pe Pământ. Acestea ne-ar putea ajuta să cercetăm fuziunea nucleară, de exemplu, care este procesul care se desfășoară în interiorul Soarelui şi care implică transformarea unor cantități mici de materie în cantități uriașe de energie.

Actualele noastre centrale nucleare folosesc fisiunea nucleară despre care criticii susțin că produc deșeuri nucleare periculoase, mai ales în cazul unor dezastre precum cel de la Fukushima din 2011.

Obţinerea de energie curată prin reproducerea fuziunii nucleare din Soare pe Pământ rămâne o provocare uriașă, pentru că este necesară o temperatură de 100 de milioane  de grade Celsius pentru ca fuziunea să se producă. Undele Alfvén ar putea fi o modalitate de a face acest lucru. Pe baza cunoştinţelor noastre despre Soare rezultă că acest lucru este cu siguranță posibil, în condițiile potrivite.

De asemenea, ne așteptăm în curând la mai multe descoperiri ca urmare a unor noi misiuni solare și unor instrumente de observaţie inovatoare.

Satelitul Solar Orbiter al Agenției Spațiale Europene se află acum pe orbită în jurul Soarelui, oferind imagini și măsurând regiunile polare neexplorate ale stelei, iar viitoarele telescoape solare de înaltă performanță vor îmbunătăți observațiile noastre asupra Soarelui de pe Pământ.

Detectarea undelor Alfvén este doar o realizare dintr-un efort mai mare al oamenilor de ştiinţă care caută să dezlege misterele Soarelui pentru aplicații practice pe Pământ.

Traducere după The Sun’s atmosphere îs hundreds of times hotter than its surface – here’s why