Ηλιακές εκλάμψεις και εκτινάξεις στεματικής μάζας
Ηλιακή έκλαμψη (solar flare) είναι η απότομη απελευθέρωση ενέργειας η οποία συμβαίνει σε μια περιοχή της ηλιακής ατμόσφαιρας. Η ενέργεια αυτή εκπέμπεται ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε όλο το φάσμα της, δηλαδή από τα ραδιοφωνικά μήκη κύματος ώς τις πολύ ισχυρές ακτίνες Χ και γ. Οι ισχυρότερες από αυτές μπορούν να είναι ορατές και στα οπτικά μήκη κύματος, δηλαδή το λευκό φως του Ήλιου. Παράλληλα, στην περιοχή της έκλαμψης, το υλικό της ατμόσφαιρας θερμαίνεται δραματικά, με αποτέλεσμα σωματίδια, όπως ηλεκτρόνια, πρωτόνια κ.λπ., να επιταχύνονται σε τεράστιες ταχύτητες. Αυτά στη συνέχεια κινούνται στο διαστημικό περιβάλλον και μπορούν να καλύψουν την απόσταση μεταξύ Ήλιου και Γης σε μερικές δεκάδες λεπτά. Η ενέργεια που εκπέμπεται από τις εκλάμψεις αντιστοιχεί στην ενέργεια εκατοντάδων εκατομμυρίων βομβών υδρογόνου.
Πολλές φορές, οι εκλάμψεις συνοδεύονται και από εντυπωσιακές εκρήξεις οι οποίες εκσφενδονίζουν τεράστιες ποσότητες υλικού της ηλιακής ατμόσφαιρας στο διάστημα. Τα φαινόμενα αυτά ονομάζονται εκτινάξεις στεματικής μάζας (coronal mass ejections, CMEs), έχουν μάζα εκατοντάδων εκατομμυρίων τόνων και διανύουν μερικές εκατοντάδες χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Η ενέργεια που μεταφέρουν οι εκτινάξεις στεματικής μάζας είναι αντίστοιχη της ενέργειας που εκπέμπεται από τις εκλάμψεις.
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι εκλάμψεις και οι εκτινάξεις στεματικής μάζας δεν απειλούν τη ζωή στην επιφάνεια του πλανήτη μας. Η γήινη ατμόσφαιρα απορροφά το μεγαλύτερο μέρος της βλαβερής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται, ενώ ο μαγνητισμός της Γης την προστατεύει από τα σωματίδια και το υλικό που εκσφενδονίζονται από τον Ήλιο στο διάστημα.
Ωστόσο, δεν ισχύει το ίδιο για την τεχνολογία μας. Η υπεριώδης ακτινοβολία μιας έκλαμψης απορροφάται από την ιονόσφαιρα με αποτέλεσμα να αλλάζουν οι ιδιότητές της. Αυτό προκαλεί διακοπές στις ραδιοφωνικές επικοινωνίες υψηλής συχνότητας. Μερικές δεκάδες λεπτά αργότερα, εάν τα σωματίδια πολύ υψηλής ενέργειας που επιταχύνθηκαν κατά τη διάρκεια της έκλαμψης κατευθύνονται προς τη Γη, μπορούν να βλάψουν τη διαστημική τεχνολογία (π.χ. δορυφόροι, συστήματα GPS) αλλά και το προσωπικό που βρίσκεται εκτεθειμένο στο διάστημα (π.χ. αστροναύτες του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού που εκτελούν εξωτερικές εργασίες).
Εάν μια εκτίναξη στεματικής μάζας κατευθύνεται προς τη Γη, θα χρειαστεί μερικές ώρες έως μία με δύο μέρες για να φτάσει στον πλανήτη μας. Το αποτέλεσμα της σύγκρουσης με τη γήινη μαγνητόσφαιρα θα είναι να διαταραχτεί το μαγνητικό πεδίο του πλανήτη μας. Οι διαταραχές του γήινου μαγνητισμού μπορεί να υπερφορτώσουν δίκτυα μεταφοράς ενέργειας, υπόγειους αγωγούς πετρελαίου κ.λπ. Συχνά συνοδεύονται και από εντυπωσιακό πολικό σέλας, το οποίο μπορεί να γίνει ορατό κατά τη νύχτα και σε χαμηλότερα (βόρεια ή νότια) γεωγραφικά πλάτη.
Επειδή αποτελούν εντυπωσιακά φαινόμενα και επιδρούν σημαντικά στην καθημερινότητά μας, οι επιστήμονες μελετούν εντατικά τον Ήλιο με τη βοήθεια διαστημικών και επίγειων παρατηρητηρίων. Ταυτόχρονα, κράτη και διεθνείς οργανισμοί διαθέτουν πόρους για την έρευνα με σκοπό την καλύτερη κατανόηση των φαινομένων και την πρόγνωσή τους. Ήδη έχουν δημιουργηθεί αρκετές υπηρεσίες πρόγνωσης σε όλο τον κόσμο, οι οποίες παρέχουν online ειδοποιήσεις τόσο για τα εκρηκτικά φαινόμενα του Ήλιου όσο και γενικότερα για τον διαστημικό καιρό, δηλαδή τις συνθήκες στο γεωδιάστημα (ο χώρος του διαστήματος γύρω από τη Γη). Ωστόσο, υπάρχει ακόμη μεγάλο περιθώριο βελτίωσης τόσο στην κατανόηση όσο και στην πρόγνωση.
Πού οφείλονται οι ηλιακές εκρήξεις;
Σήμερα γνωρίζουμε ότι οι εκλάμψεις και οι εκτινάξεις στεματικής μάζας είναι όψεις του ίδιου φαινομένου και συχνά κάνουμε λόγο για ηλιακές εκρήξεις αναφερόμενοι και στα δύο. Οι εκρήξεις αυτές αποτελούν τα πιο εντυπωσιακά και βίαια φαινόμενα στο ηλιακό μας σύστημα και γνωρίζουμε ότι είναι φαινόμενα μαγνητικής προέλευσης. Εμφανίζονται στις περιοχές του Ήλιου όπου ο μαγνητισμός είναι πολύ ισχυρός οι οποίες συμπίπτουν με τις ομάδες των ηλιακών κηλίδων. Οι περιοχές αυτές ονομάζονται κέντρα δράσης ή ενεργές περιοχές (active regions).
Από τη δεκαετία του 1960 έχουν προταθεί διάφοροι πιθανοί μηχανισμοί που οδηγούν στην εμφάνιση ηλιακών εκρήξεων. Σημαντικό στοιχείο όλων αυτών των μοντέλων είναι η επανασύνδεση των μαγνητικών δυναμικών γραμμών. Η ηλιακή ατμόσφαιρα είναι ισχυρά μαγνητισμένη, σε τέτοιο βαθμό που το σχήμα και η δομή της καθορίζονται από τα μαγνητικά πεδία που συσσωρεύονται σε περιοχές της «επιφάνειάς» του (στη φωτόσφαιρα). Το υλικό της ατμόσφαιρας του Ήλιου ακολουθεί τον μαγνητισμό, όπως περίπου τα ρινίσματα σιδήρου ακολουθούν και σκιαγραφούν το μαγνητικό πεδίου ενός ραβδόμορφου μαγνήτη.
Μαγνητικοί βρόχοι ξεπηδούν από τα κέντρα δράσης με ύψος δεκάδων χιλιάδων χιλιομέτρων πάνω από την ηλιακή επιφάνεια. Ανάλογα με τις κινήσεις και την πολυπλοκότητα του σχήματος των κέντρων δράσης (των ομάδων κηλίδων), οι βρόχοι αυτοί συστρέφονται και περιστρέφονται ο ένας γύρω από τον άλλο. Μπορεί κανείς να φανταστεί αυτούς τους βρόχους ως τεράστια λάστιχα στα οποία αποθηκεύεται ενέργεια. Κάποιοι από αυτούς μπορεί να «σπάσουν» και να επανασυνδεθούν αλλάζοντας σχήμα και διοχετεύοντας την ενέργειά τους στο περιβάλλον υπό τη μορφή μιας έκλαμψης ή/και εκτίναξης στεματικής μάζας.
Παρόλο που πιστεύουμε ότι η επανασύνδεση των μαγνητικών δυναμικών γραμμών βρίσκεται στον πυρήνα του μηχανισμού που παράγει τα εκρηκτικά ηλιακά φαινόμενα, οι λεπτομέρειες μας είναι ακόμη άγνωστες. Δύο μεγάλες κατηγορίες μοντέλων έχουν αναπτυχθεί. Στην πρώτη, η επανασύνδεση εμφανίζεται σε συγκεκριμένες περιοχές του κέντρου δράσης, ανάλογα με τη μορφή του και την πολυπλοκότητά του. Στη δεύτερη μεγάλη κατηγορία υποτίθεται πως είναι απαραίτητη η δημιουργία ενός «σχοινιού» μαγνητικής ροής, δηλαδή ενός σχηματισμού αποτελούμενου από θερμό πλάσμα το οποίo διατρέχεται από μπλεγμένες και συστραμμένες μαγνητικές δυναμικές γραμμές. Κάτι τέτοιο μπορεί κανείς να το φανταστεί ως ένα πολύ συστραμμένο λάστιχο, έτοιμο να σπάσει. Στη δεύτερη αυτή κατηγορία μηχανισμών, η έκρηξη «πυροδοτείται» από μια αστάθεια η οποία μπορεί να οδηγήσει σε επανασύνδεση των μαγνητικών δυναμικών γραμμών και να εκσφενδονίσει το μαγνητικό αυτό σχοινί στο διάστημα.
Ποια από τις δύο κατηγορίες μοντέλων, όμως, περιγράφει καλύτερα το φαινόμενο; Όπως γίνεται συχνά, κάθε μοντέλο στηρίζεται σε -και μπορεί να ερμηνεύσει- μια σειρά από παρατηρούμενες ιδιότητες. Για παράδειγμα, η σύγκριση με παρατηρήσεις της εκπομπής ακτινοβολίας στο υπεριώδες και τις ακτίνες Χ από κέντρα δράσης φαίνεται να συμφωνεί με την πρώτη κατηγορία. Από την άλλη, συχνά έχουν παρατηρηθεί «μαγνητικά» σχοινιά σε κέντρα δράσης, ως μακρόστενοι σχηματισμοί στους οποίους εντοπίζεται πολύ θερμό πλάσμα. Επιπλέον, ο πυρήνας πολλών από τις εκτινάξεις στεματικής μάζας φαίνεται να περιέχει έναν τέτοιο σχηματισμό. Βέβαια, οι παρατηρήσεις αυτές δεν είναι αρκετές για να αποκλείσουν όλα -πλην ενός- τα μοντέλα. Για παράδειγμα, σε ό,τι αφορά της εκτινάξεις στεματικής μάζας, θεωρείται πιθανό το μαγνητικό σχοινί που παρατηρείται να σχηματίζεται κατά τη διάρκεια της έκρηξης.
Μαγνητικά σχοινιά και μαγνητικά κλουβιά
Υπάρχει ωστόσο μια παρατηρούμενη ιδιότητα των ηλιακών εκρήξεων η οποία μπορεί να οδηγήσει στη λύση του προβλήματος. Συχνά παρατηρούνται εκλάμψεις χωρίς εκτινάξεις στεματικής μάζας και το αντίστροφο. Βασισμένη σε αυτή την παρατήρηση, μια πρόσφατη μελέτη, η οποία δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό «Nature», προσπάθησε να εξακριβώσει ποιος μηχανισμός ευθύνεται για την εμφάνιση των ηλιακών εκρήξεων.
Ο πρόσφατος ηλιακός κύκλος (ο 24ος) παρείχε τον «τέλειο» στόχο. Το κέντρο δράσης με ονομασία AR 12192 παρήγαγε πολλές ισχυρές εκλάμψεις, οι οποίες όμως δεν συνοδεύονταν από εκτινάξεις στεματικής μάζας. Ο Ταχάρ Αμάρι του Πανεπιστημίου Paris-Saclay και οι συνεργάτες του από άλλα ινστιτούτα της Γαλλίας αποφάσισαν να μελετήσουν αυτό το κέντρο δράσης. Σκοπός τους να κατανοήσουν καλύτερα τη σύνδεση μεταξύ των δύο φαινομένων και να διαπιστώσουν εάν μία από τις δύο ευρύτερες κατηγορίες μοντέλων μπορεί να τα εξηγήσει πιο αποτελεσματικά, τουλάχιστον στη συγκεκριμένη περίπτωση.
Χρησιμοποίησαν εικόνες που αποτυπώνουν την κατανομή του μαγνητισμού του κέντρου δράσης και της ισχύος του στη φωτόσφαιρα και τροφοδότησαν με αυτές προσομοιώσεις οι οποίες μπορούσαν να κατασκευάσουν την τρισδιάστατη μορφή του κέντρου δράσης. Διαπίστωσαν ότι στο εσωτερικό του σχηματισμού υπήρχε ένα καλοσχηματισμένο μαγνητικό σχοινί, το οποίο περιβαλλόταν από ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, το οποίο το συγκρατούσε στα χαμηλότερα ύψη της ηλιακής ατμόσφαιρας. Οι επιστήμονες ονόμασαν αυτό το περιβάλλον «μαγνητικό κλουβί».
Απαραίτητα για την εκδήλωση μιας έκλαμψης-εκτίναξης είναι η εμφάνιση μιας αστάθειας στο περιβάλλον του μαγνητικού σχοινιού. Αυτή μπορεί να οδηγήσει στην επανασύνδεση των μαγνητικών δυναμικών γραμμών μεταξύ του μαγνητικού σχοινιού και του κλουβιού και να προκαλέσει την εμφάνιση μιας έκλαμψης. Για να εκδηλωθεί όμως και μια εκτίναξη στεματικής μάζας, θα πρέπει η ενέργεια που περιέχεται στο μαγνητικό σχοινί να είναι ικανή ώστε αυτό να υπερνικήσει τον περιορισμό που θέτει το μαγνητικό κλουβί. Εν ολίγοις, θα πρέπει να καταφέρει το μαγνητικό σχοινί να διαπεράσει τα μαγνητικά «τοιχώματα» του κλουβιού που το περιορίζουν.
Η μελέτη του Amari και των συνεργατών του στηρίζεται γενικά σε γνωστές ιδέες για τον ρόλο που παίζει το περιβάλλον μαγνητικό πεδίο του κέντρου δράσης στον συσχετισμό δυνάμεων που προκαλούν τις εκτινάξεις στεματικής μάζας. Με λίγα λόγια, γνωρίζουμε ότι τα πολύπλοκα μαγνητικά πεδία που αποτελούν τα κέντρα δράσης παρέχουν τόσο τα υλικά για να εμφανιστεί μια ηλιακή έκρηξη όσο και τα «μέτρα» περιορισμού τους. Ωστόσο, η μελέτη αυτή μας δείχνει με έναν πολύ γλαφυρό και σαφή τρόπο πώς εκδηλώνονται τα συστατικά μέρη μιας ηλιακής έκρηξης και πώς διαμορφώνεται ο συσχετισμός των δυνάμεων που την προκαλούν.
