Hλιακές κοσμικές ακτίνες, εκλάμψεις, στεματικές εκπομπές μάζας
Ο Ήλιος είναι ένα ήρεμο άστρο, όπως μπορεί κανείς να συμπεράνει από την ολική του εκπομπή στην οποία κυριαρχεί το ορατό φως της φωτόσφαιρας. Παρουσιάζει όμως έντονη δραστηριότητα, ορατή μέσο στεμματικών εκπομπών κυρίως σε ακτίνες Χ, EUV και ραδιοκύματα. Το στέμμα είναι το αραιό αέριο που περιβάλλει τον Ήλιο και είναι ορατό κατά την διάρκεια ηλιακών εκλείψεων. Η δομή του, όπως και η δραστηριότητά του καθορίζεται από μαγνητικά πεδία.
Η μετατροπή ενέργειας σε ηλιακά εκρηκτικά φαινόμενα είναι η αιτία δημιουργίας του θερμού πλάσματος και των επιταχυνομένων σωματιδίων σε ενέργειες πολύ υψηλότερες της μέσης θερμικής ενέργειας του στέμματος ~100 eV. Κάποια από αυτά τα εκρηκτικά φαινόμενα, επιταχύνουν σωματίδια σε πολύ υψηλές ενέργειες: ηλιακή κοσμική ακτινοβολία. Είναι σπάνια φαινόμενα: 70 γεγονότα έχουν παρατηρηθεί από την ανακάλυψή τους το 1942 έως το 2009.
Ηλιακό Στέμμα: Δυναμικό Περιβάλλον δομημένο από μαγνητικά πεδία
Μία φωτογραφία της έκλειψης (26 February 1998, Guadeloupe; © Christian Viladrich, SAF)
δείχνει ότι το στέμμα έχει ακανόνιστο σχήμα, σε αντίθεση με το ορατό μέρος του Ήλιου, την φωτόσφαιρα, η οποία είναι σχεδόν σφαιρική.
Αυτό συμβαίνει διότι στην φωτόσφαιρα κυριαρχεί η βαρύτητα.
Η βαρύτητα έλκει κάθε σωματίδιο προς το κέντρο συγκέντρωσης της μάζας, και στο γεγονός αυτό οφείλεται η δημιουργία σφαιρικών αστρικών σωμάτων, όπως οι πλανήτες, η Σελήνη και ο Ήλιος ως άστρο.
Το στέμμα αντιθέτως είναι ιονισμένο αέριο, θερμοκρασίας 106 Κ, αποτελούμενο από ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια, ηλεκτρόνια, πρωτόνια, και πυρήνες He και βαρύτερων στοιχείων.
Αυτό το αέριο δομείται από μαγνητικά πεδία, εκτός από την βαρύτητα, τα οποία έχουν την πηγή τους στο εσωτερικό του Ηλίου.
Μαγνητικά Πεδία και η Δομή του Στέμματος
Η κατάσταση είναι παρόμοια με το γνωστό πείραμα μέσο του οποίου μαθαίνουμε στο σχολείο ότι οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου ενώνουν τους δυο πόλους ενός μαγνήτη.
Πάρτε έναν μαγνήτη, τοποθετείστε ένα φύλλο χαρτί πάνω του και σκορπίστε ρινίσματα σιδήρου στο χαρτί. Τα ρινίσματα θα λάβουν θέσεις κατά μήκος των γραμμών του πεδίου κάνοντάς τες ορατές.
Ποια η σχέση με το Ηλιακό Στέμμα?
Ας το κοιτάξουμε από νέα πλευρά, χρησιμοποιώντας την εκπομπή που προέρχεται από το ζεστό στεμματικό αέριο. Η εικόνα στα δεξιά δείχνει μια λεπτομέρεια από το στέμμα στο EUV εκπεμπόμενο από αέριο σίδηρο σε θερμοκρασία 1000000 βαθμούς Κelvin (φωτογραφία¨Transition Region –Coronal Explorer δορυφόρος, NASA).
Η φωτόσφαιρα, η οποία εκπέμπει σχεδόν όλο το ορατό και υπέρυθρο φως απ΄τον Ήλιο, είναι σκοτεινή εδώ, γιατί στους 6000Κ δεν είναι αρκετά θερμά για εκπομπή EUV.
Το θερμό στεμματικό αέριο είναι περιορισμένο σε θηλειές. Αυτό συμβαίνει διότι τα εκπεμπόμενα ιόντα σιδήρου είναι παγιδευμένα στις δομές: όπως τα ρινίσματα σιδήρου, τα οποία είναι αναγκασμένα από το μαγνητικό πεδίο να τοποθετηθούν πάνω στις γραμμές του πεδίου , έτσι και τα φορτισμένα σωματίδια κινούνται ελεύθερα πάνω στις γραμμές του πεδίου, και όχι στην κάθετη διεύθυνση.
Γι’αυτό «βλέπουμε» γραμμές πεδίου στο στέμμα όπου καθορίζουν το υλικό- όπως βλέπουμε τις γραμμές του πεδίου ενός μαγνήτη με την βοήθεια ρινισμάτων. Οι μαγνητικές γραμμές πεδίου που δομούν το στέμμα, έχουν την βάση τους στον πυρήνα του Ήλιου.
Δυναμική του Ήλιου
Υπάρχει μεγάλη διαφορά ανάμεσα στον μαγνήτη και στον Ήλιο: ο μαγνήτης είναι απαραίτητα ένας σταθερός σχηματισμός, και έτσι είναι και οι γραμμές του πεδίου του. Αλλά το εσωτερικό του Ηλίου είναι ένα ταραχώδες αέριο, και οι ροές αυτού του αερίου τροποποιούν συνεχώς τα ενσωματωμένα μαγνητικά πεδία και την επέκτασή τους μέσα στο στέμμα. Οπότε, αντίθετα με έναν κοινό μαγνήτη, το μαγνητικό πεδίο του Ηλίου δεν είναι στατικό. Κατά συνέπεια, οι μεγάλης κλίμακας στεμματικές δομές που βλέπουμε κατά την διάρκεια μιας έκλειψης ή με ένα διαστημόπλοιο σε EUV(extreme υπεριώδες) μήκος κύματος δεν είναι σταθερές! Μια έκλειψη είναι απλά η φωτογραφία μιας δυναμικής κατάστασης. Το στέμμα αποβάλλει αυτές τις δομές με θεαματικές στεμματικές εκπομπές υλικού και με εκρήξεις θερμαίνει το αέριο και επιταχύνει τα φορτισμένα σωματίδια σε υψηλές ενέργειες.
Το Βίαιο Ηλιακό Στέμμα: Στεμματικές εκπομπές Υλικού
Η πιο θεαματική εκδήλωση της εκρηκτικής ηλιακής δραστηριότητας είναι οι στεμματικές εκπομπές υλικού(σύντμηση: ΣΕΜ ή CMEs). Οι φωτογραφίες παραπάνω προέρχονται από τον στεμματογράφο LASCO ευρισκόμενο στο διαστημόπλοιο Solar and Heliospheric Observatory (SoHO; ESA/NASA). Σε ένα στεμματογράφο, ο ορατός φωτεινός δίσκος του Ηλίου είναι καλυμμένος, γεγονός που επιτρέπει στο αμυδρό στέμμα να είναι ορατό όπως και κατά την διάρκεια μιας ηλιακής έκλειψης.
Η πρώτη φωτογραφία δείχνει το στέμμα πριν το γεγονός μαζικής εκπομπής. Η δομή που ανέρχεται πάνω από τον καλυμμένο δίσκο, κάτω δεξιά ονομάζεται streamer- χαρακτηριστικό γνωστό από φωτογραφίες εκλείψεων. Στις ακόλουθες φωτογραφίες, βλέπουμε το αέριο καθώς προωθείται στο υψηλότερο στέμμα με το περιοριστικό μαγνητικό πεδίο. Τελικά αφήνει τον Ήλιο και διαδίδεται μέσο της Ηλιόσφαιρας. Και εδώ ξανά το αέριο κάνει τις δομές του μαγνητικού πεδίου ορατές. Στην πραγματικότητα δεν είναι πρωταρχικά το αέριο το οποίο εκπέμπεται αλλά η στεμματική δομή μαγνητικού πεδίου. Το μαγνητικό πεδίο παρασύρει το αέριο μαζί του. Αυτό είναι διαφορετικό από την έκρηξη ενός ηφαιστείου στην Γη, όπου το υλικό εκπέμπεται με εκρηκτικό τρόπο, και μετά πέφτει πάλι λόγω της επίδρασης της βαρύτητας.
Μια ηλιακή έκλαμψη εκδηλώνεται από μια ξαφνική λαμπρότητα σε διάφορα τμήματα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Τέτοιες λαμπρότητες είναι ιδιαιτέρως σημαντικές στις τυπικές στεμματικές εκπομπές: EUV, ακτίνες Χ και ραδιοκύματα. Ή ακόμα και στις ακτίνες γάμμα, όπου ο Ήλιος είναι συνήθως ορατός στα όργανά μας, ανεξάρτητα από τις εκλάμψεις. Οι τρεις παραπάνω εικόνες δείχνουν διαφορετικά στιγμιότυπα του Ήλιου στις 14 Ιουλίου 2000 από το Τηλεσκόπιο ακτίνων EUV (EIT; 19.5nm μήκος κύματος) ευρισκόμενο στο SoHO. Παρατηρείστε την λαμπρή «ενεργή περιοχή» λίγο πάνω από το κέντρο του ηλιακού δίσκου: το μεσαίο πλαίσιο δείχνει ότι η λαμπρότητα είναι ξαφνική. Η φωτεινότητα παραμένει και στο επόμενο στιγμιότυπο, το οποίο πάρθηκε αργότερα από μια ώρα. Αυτή είναι μια ηλιακή έκλαμψη. Οι ηλιακές εκλάμψεις και οι στεμματικές εκπομπές υλικού δεν είναι ανεξάρτητες. Οι στεμματογράφοι πάνω στο SoHO παρατήρησαν επίσης στεμματική εκπομπή υλικού μαζί με αυτήν την έκλαμψη.
 . Αυτά τα σωματίδια υψηλών ενεργειών είναι που ονομάζουμε και ηλιακή κοσμική ακτινοβολία. Εάν επιθυμείτε πληροφορίες σχετικά με άλλα GLEs επισκεφτείτε το εργαλείο αναζήτησης γεγονότων τοθ NMDB. Επιλέξτε τον αριθμό του GLE και τον σταθμό του οποίου τις παρατηρήσεις θέλετε να σχεδιάσετε, και πατήστε «Submit».
Πώς εμφανίζονται οι εκλάμψεις και οι στεμματικές εκπομπές υλικού;
Ας παρατηρήσουμε καλύτερα τι συμβαίνει σε μια ενεργή περιοχή όταν συμβαίνουν μια έκλαμψη και μια στεμματική εκπομπή υλικού : Το διαστημόπλοιο TRACE της NASA παρατήρησε την ίδια έκλαμψη στις 14Ιουλίου 2000 στο EUV, όπως και το SoHO/EIT, αλλά με μικρότερο πεδίο ορατότητας και υψηλότερο χρονικό βήμα.
Τα δύο στιγμιότυπα αριστερά δείχνουν την αρχική φάση της έκρηξης: (1) Ένα σκοτεινό νήμα που βρισκόταν πάνω από την φωτεινή ενεργή περιοχή(πάνω πλαίσιο) ανεβαίνει και αποβάλλεται. (2) Καθώς το νήμα ανεβαίνει μέσο του στέμματος, μέρος του μπορεί να παρατηρηθεί στο στιγμιότυπο του κάτω πλαισίου. Το νήμα θα γίνει μέρος της στεμματικής εκπομπής υλικού.
Η κατώτερη περιοχή φωτίζεται, όπως φαίνεται στο πρώτο στιγμιότυπο δεξιά (3). Αργότερα, ένας αυξανόμενος αριθμός δομών σχήματος θηλειάς δημιουργούνται και εξαφανίζονται έπειτα από πολλές ώρες. Αυτό φαίνεται στο στιγμιότυπο στο τέλος, (4).
Ταινίες και περισσότερες παρατηρήσεις από το TRACE στο
Μαγνητική Επανασύνδεση: μια διαδικασία κλειδί στα ηλιακά εκρηκτικά φαινόμενα
Οι διαδικασίες που συνέβησαν κατά την διάρκεια αυτού του γεγονότος μπορούν να παρουσιαστούν σε ένα απλό σχηματικό σενάριο όπως παρουσιάζεται στο ακόλουθο σχήμα. Αυτό είναι ένα 2-διαστάσεων στιγμιότυπο ,τομή του νήματος, το οποίο είναι ένα πυκνό αέριο στο οποίο το στεμματικό μαγνητικό πεδίο αντιστέκεται στην βαρύτητα.
(α) Ηλεκτρικά ρεύματα υπάρχουν σε αυτό το αέριο και δημιουργούν ένα μαγνητικό πεδίο γύρω από το νήμα, όπως δείχνει η πράσινη κυκλική γραμμή πεδίου στο Σχήμα. Την ίδια ώρα, το νήμα περιβάλλεται από μαγνητικές γραμμές πεδίου που έχουν την πηγή τους κάτω από την ηλιακή φωτόσφαιρα- αναδύονται από το εσωτερικό του ήλιου.
(β) Αν, υπό την επίδραση των κινήσεων ανατάραξης του αερίου μέσα και κάτω από την ηλιακή φωτόσφαιρα, το μαγνητικό πεδίο του νήματος, μαζί με την συμπιεσμένη ύλη, ανέβει σε υψηλότερο υψόμετρο , η περιοχή όπου ήταν αρχικά, έχει λιγότερη ύλη από πριν , και έτσι χαμηλότερη πίεση από το περιβάλλον της. Το περιβάλλον υλικό θα ρέει προς την περιοχή αυτή, παρασύροντας το μαγνητικό υλικό μαζί της. Αντιθέτως προσανατολισμένες γραμμές μαγνητικού πεδίου προσεγγίζουν η μιά την άλλη στην περιοχή που καθορίζεται από το κίτρινο πολύγωνο. Αυτή η περιοχή ονομάζεται φύλλο ρεύματος διότι η ξαφνική αλλαγή του μαγνητικού πεδίου εκεί, υπονοεί έντονα ηλεκτρικά ρεύματα..
(γ) Οι γραμμές μαγνητικού πεδίου μπορούν να επανασυνδεθούν στο φύλλο ρεύματος: τότε ,η μονή κόκκινη γραμμή πεδίου στο β) δημιουργεί δύο νέες γραμμές πεδίου.- η μία είναι κλειστή γύρω από το αναδυόμενο νήμα, ενώ το άλλο είναι μέρος μιας νέας θηλειάς, κάτω από το νήμα.
(δ) Η διαδικασία της μαγνητικής επανασύνδεσης επηρεάζει επιτυχώς τις γραμμές πεδίου με αυξανόμενη απόσταση από το νήμα. Όταν οι γραμμές του πεδίου που επανασυνδέονται ,έχουν το ένα άκρο τους πηγή στον ήλιο και το άλλο κάπου στο ηλιακό σύστημα(δεν είναι ορατό στο Σχήμα) ,το νήμα μπορεί να αποσυνδεθεί από το μαγνητικό πεδίο με πηγή στον ήλιο. Έπειτα αποβάλλεται στο υψηλότερο στέμμα και μεσοπλανητικό διάστημα. Η σειρά αυτή είναι ακριβώς ό,τι είδαμε στις εικόνες παραπάνω του TRACE: το νήμα ανεβαίνει και τελικά εξαφανίζεται, ενώ από κάτω, νέες μαγνητικές θηλιές σχηματίζονται, είναι γεμάτες με καυτό αέριο και ακτινοβολούν για ορισμένο χρόνο, για παράδειγμα στο EUV.
Επιτάχυνση Σωματιδίων
Όταν τα μαγνητικά πεδία επανασυνδέονται, η ενέργεια μετατρέπεται σε θέρμανση του αερίου και επιτάχυνση ορισμένων σωματιδίων σε υψηλές ταχύτητες και ενέργειες. Αυτό δημιουργεί ποικίλα ακτινοβόλα ίχνη σε διαφορετικά σημεία, όπως φαίνεται στο δ). Σωματίδια επιταχυνόμενα κατά την διάρκεια της διαδικασίας επανασύνδεσης μπορούν επίσης να διαφύγουν στο μεσοαστρικό διάστημα.
Τα σωματίδια δεν επιταχύνονται μόνο στην περιοχή επανασύνδεσης κάτω από το νήμα. Όταν το νήμα αποβάλλεται με μεγάλη ταχύτητα μπορεί να δημιουργήσει ένα μετωπικό κρουστικό κύμα- όπως ένα υπερηχητικό αεροπλάνο δημιουργεί κρουστικό κύμα στον αέρα, το οποίο αντιλαμβανόμαστε σαν ένα βίαιο ήχο. Στο ηλιακό στέμμα, όπου το αέριο αποτελείται από φορτισμένα σωματίδια, ένα κρουστικό κύμα περιλαμβάνει ηλεκτρικά πεδία, τα οποία μπορούν να επιταχύνουν σωματίδια σε υψηλές ενέργειες.
Δεν γνωρίζουμε σίγουρα πώς επιταχύνονται οι κοσμικές ακτίνες που φτάνουν στην Γη έπειτα από φαινόμενα ηλιακών εκλάμψεων και CMEs. Αυτό που γνωρίζουμε είναι ότι τέτοια σωματιδιακά γεγονότα συνοδεύονται πάντα από μεγάλες εκλάμψεις και γρήγορες και ευρύτερες CMEs. Έντονες ερευνητικές δραστηριότητες αποδίδουν τον ρόλο της επανασύνδεσης και των κρουστικών κυμάτων στην επιτάχυνση σωματιδίων στο ηλιακό στέμμα.
Ερευνητές επιστρατεύουν ποικίλα μέσα για να αποσαφηνίσουν την προέλευση των μεγάλων ηλιακών ενεργητικών σωματιδιακών γεγονότων και προσπαθούν να αναπτύξουν μοντέλα για να προβλέψουν την εμφάνισή τους και εξέλιξη, μέγιστη πυκνότητα και θερμοκρασιακή εξέλιξη. Οι ανιχνευτές νετρονίων είναι εργαλεία –κλειδιά στην έρευνα ως προς τα ταχύτερα ηλιακά ενεργητικά σωματίδια.