Teleskop Inouye po raz pierwszy pokazał wiry Kelvina-Helmholtza na powierzchni Słońca

Co zobaczył teleskop

Czterometrowy Teleskop Słoneczny im. Daniela K. Inouye stoi w pobliżu szczytu Haleakalā na Maui. W kwietniu 2025 r. skierowano go na obszar aktywny magnetycznie w pobliżu plamy słonecznej. Zdjęcia, które stamtąd wróciły, są obrazami widocznej powierzchni Słońca o najwyższej rozdzielczości, jakie dotąd powstały. Rozdzielają struktury blisko teoretycznej granicy rozdzielczości teleskopu, około 19 kilometrów.

Fotosfera nie jest gładka. Jasne komórki konwekcyjne, czyli granule, wznoszą się, stygną i znów opadają. Na skraju obszaru aktywnego, gdzie granule stykają się ze skupionymi polami magnetycznymi, zespół znalazł rzędy drobnych wirów i wąskie smugi.

Badacze przeanalizowali 47 wirów. Średni odstęp wynosił 65 kilometrów, a pojedyncze struktury miały od 25 do 170 kilometrów średnicy. Pozorne prędkości poziome wynosiły od 0,67 do 3 kilometrów na sekundę.

Kształty odpowiadają niestabilności Kelvina-Helmholtza. Powstaje ona, gdy dwie warstwy płynu lub plazmy ślizgają się względem siebie z różnymi prędkościami. Ścinanie na granicy rozkręca drobne zaburzenia w spirale. Efekt obserwowano w koronie słonecznej i w oddziaływaniu wiatru słonecznego z polami magnetycznymi planet. W widocznej warstwie powierzchniowej nie widziano go do tej pory.

Michiel van Noort z Instytutu Badań Układu Słonecznego Towarzystwa Maxa Plancka powiedział, że wykrycie wirów wymagało rozdzielenia struktur o rozmiarach około 20 kilometrów. Zespół porównał ten wyczyn do dostrzeżenia monety jednoeurowej z odległości 180 kilometrów.

Jak zespół sprawdził zdjęcia

Same zdjęcia by nie wystarczyły. Zespół zestawił dane z Inouye z symulacjami magnetohydrodynamicznymi prowadzonymi w kodzie MURaM przez grupy z High Altitude Observatory przy NSF NCAR oraz z Instytutu Badań Układu Słonecznego Towarzystwa Maxa Plancka.

Odstępy między wiry, czyli długość fali niestabilności, wyniosły od 50 do 65 kilometrów zarówno w danych z teleskopu, jak i w modelach. Tempo wzrostu i prędkości mieściły się w podobnych zakresach.

„Te obserwacje dają też weryfikację symulacji magnetohydrodynamicznych Słońca o najwyższej jak dotąd rozdzielczości, a zgodność szczegółów fizycznych jest imponująca” – powiedział Matthias Rempel z High Altitude Observatory.

„Nigdy nie obserwowano tego na takim poziomie na powierzchni Słońca” – powiedział współautor Friedrich Wöger, starszy naukowiec w National Solar Observatory.

Dlaczego wiry są ważne

Wiry skręcają i plączą linie pola magnetycznego Słońca. Naprężone pole może pęknąć i uwolnić energię, która napędza rozbłyski i koronalne wyrzuty masy. Te erupcje wyrzucają w stronę Ziemi cząstki, które zakłócają pracę satelitów, sieci energetycznych, GPS i systemów łączności.

Wynik wyjaśnia mechanizm. Nie poprawia jeszcze żadnej prognozy operacyjnej.

Zespół podaje, że wiry pojawiały się niemal wszędzie, gdzie spojrzał wzdłuż granic magnetycznych, a nie jako pojedyncze zaburzenia. „Naprawdę zaskoczyło nas, jak wiele zdarzeń KHI znaleźliśmy” – powiedział w rozmowie z portalem ScienceAlert David Kuridze z National Solar Observatory. W pracy nie ma liczby określającej, ile energii wiry wprowadzają do układu.

Fotosfera ma temperaturę około 5 800 K. Korona nad nią regularnie osiąga ponad milion kelwinów. Ta różnica jest otwartym problemem od dziesięcioleci. Fizycy słoneczni od dawna sądzą, że linie pola magnetycznego skręcają się w warkocze, tracą stabilność i rozrywają się w procesie zwanym rekoneksją magnetyczną, uwalniając wybuch energii. Otwarte pozostawało pytanie, co je nieustannie skręca. Zaobserwowane wiry są kandydatem na odpowiedź: stały czynnik działający w małej skali, który wciąż na nowo splata pole.

„Niestabilność Kelvina-Helmholtza jest prawdopodobnie jednym z mechanizmów ogrzewania zewnętrznej atmosfery i częścią rozwiązania dawnej zagadki, dlaczego gwiazdy mają koronę o temperaturze miliona stopni” – powiedział Thomas Rimmele, główny technolog w National Solar Observatory.

Jest jeszcze druga zagadka, której wiry dotykają. Cykl magnetyczny Słońca trwa około 11 lat. Obecne modele nie potrafią rozprzestrzeniać energii magnetycznej dość szybko, by za nim nadążyć, twierdzi Kuridze. Wiry mieszają plazmę namagnesowaną z nienamagnesowaną, co przyspiesza dyfuzję pól magnetycznych przez dolną atmosferę, wynika z analizy.

Co dalej

Następny krok to uruchomienie automatycznych programów na danych z Inouye. Celem jest ustalenie, ile wiry wnoszą do ogrzewania atmosfery Słońca i rozprzestrzeniania jego pól magnetycznych.

„Uważamy, że odkrycie niestabilności Kelvina-Helmholtza w fotosferze Słońca, poparte analizą symulacji numerycznych, jest dużym krokiem naprzód w rozumieniu dynamiki i ewolucji plazmy słonecznej oraz gwiazdowej i posłuży jako podstawa przyszłych odkryć” – powiedział David Boboltz, zastępca dyrektora National Solar Observatory.

Zbiór danych ma jedno zastrzeżenie. Obserwacje obejmują jeden obszar aktywny przy plamie słonecznej. Jak proces przebiega w całym cyklu słonecznym, pozostaje niesprawdzone.