Výzkumy na AsÚ AV ČR (10): Střižné proudění ve sluneční atmosféře jako generátor elektrického pole
Urychlování částic je jevem pozorovaným u mnoha astrofyzikálních objektů. Kupříkladu ve slunečních erupcích dojde po přepojení magnetického pole k urychlení částic ve svazcích na rychlosti blízké rychlosti světla. Tyto procesy jsou obvykle spojovány s existencí silných elektrických proudů a elektrických polí. Tyto veličiny nejsou přímo měřitelné, avšak jejich charakter lze odvodit z jiných měřitelných fyzikálních veličin, které jsou spjaty komplikovanou soustavou rovnic. Tato soustava se obvykle řeší s pomocí počítače (tedy numericky), pro studium detailů chování částic však mají větší cenu řešení analytická, tedy s pomocí „tužky a papíru“. S takovým přišel Dieter Nickeler z AsÚ a s jeho pomocí popsal možný mechanismus dodatečného urychlování částic ve slunečních erupcích.
Numerické řešení soustavy rovnic lze provést vždy, jeho nevýhodou je však nutnost tzv. diskretizace, tedy řešení problému je známo pouze v omezené množině předem zvolených bodů prostoru, v nichž jsou rovnice řešeny. Mimo tyto body je řešení neznámo a obvykle se interpoluje (tedy v podstatě odhaduje), což nemusí vždy odpovídat skutečnému chování systému. Použitelné řešení je kompromisem mezi přesností (tedy volbou jemnosti diskrétní mříže) a počítačovou náročností (velké systémy se ve velkém rozlišení počítají na superpočítačích a i tak trvá výpočet často roky). Navíc, při řešení problémů magnetohydrodynamiky (MHD) jsou studované částice považovány za „testovací“, tedy bez zpětné vazby na pozaďové plazma. To zjevně neodpovídá realitě.
Naproti tomu analytické (přesné) řešení poskytuje znalost stavu plazmatu i testovacích částic v libovolném bodě prostoru a automaticky může zahrnout i zpětnou vazbu studovaných částic na pozaďové plazma. Bohužel, analyticky lze vyřešit jen velmi omezené množství problémů a reálné případy je tak zapotřebí idealizovat. Fyzik má tedy na výběr: buď nahradí reálný fyzikální systém zjednodušeným modelem a získá přesné řešení, nebo naopak studuje realistický systém, avšak jeho řešení bude pouze přibližné se zvolenou přesností a rozlišením. D. Nickeler a jeho kolegové zvolili první přístup a zajímali se o charakter elektrických polí v oblastech se střižným prouděním.
Jejich výzkum byl motivován průběhem slunečních erupcí. Nejúspěšnějším modelem vysvětlujícím průběh erupce je model magnetické rekonexe (přepojení), při němž dochází v omezené oblasti prostoru k změně konfigurace magnetického pole a prudkému uvolnění energie ve formě elektromagnetické záření i rychlých částic. Rychlé částice se projevují především srážkovým ohřevem pozaďového materiálu, který je tím přinucen zářit na rentgenových vlnových délkách. Magnetické pole se dostává do klidové konfigurace, v níž již nejsou podmínky k vytváření částicových svazků. Z pozorování je však zřejmé, že intenzita rentgenového záření klesá mnohem pomaleji, než se zklidňuje konfigurace magnetického pole. Nabité částice tedy musí být urychlovány jiným mechanismem. Hlavním podezřelým je elektrické pole související se střižnými pohyby plazmatu.
D. Nickeler tedy zkonstruoval idealizovaný fyzikální systém, který však věrně připomíná situaci v tzv. poerupčních smyčkách. Magnetické pole v nich je sice blízké klidovému (odborně potenciálovému), avšak i tato konfigurace umožňuje existenci střižných toků plazmatu podél silokřivek magnetického pole. Dále předpokládal, že studované plazma má konečnou vodivost. To již stačilo k analytickému výpočtu vektoru elektrického pole, pro urychlování částic byla však nejdůležitější jeho komponenta rovnoběžná se směrem pole magnetického. Pro realistické hodnoty popisující indukci magnetického pole a hustotu částic ve sluneční koróně se ukazuje, že v oblastech nad poerupčními smyčkami vzniká silné elektrické pole s vysokým napětím (v řádu desítek kilovolt). Bohužel to v tomto zjednodušeném modelu nestačí k vysvětlení pozorovaného doznívání rentgenové emise, zejména pak nedostačuje k urychlení elektronů na MeV až GeV energie, které jsou často pozorovány kosmickými družicemi.
Zjednodušený model nabízí pouze jednorázové urychlení částic. Z pozorování však vyplývá, že k urychlování dochází v po-rekonexních oblastech po delší dobu. Autoři navrhují, že určitou změnou modelu, prostým řetězením mnoha urychlovacích událostí, lze dosáhnout požadovaného efektu. Vysokoenergetické částice by tedy mohly být v poerupčních elektrických polích urychlovány postupně, podobně jako k tomu dochází v pozemských urychlovačích. V každém případě je z práce D. Nickelera a jeho kolegů patrná cena přesného fyzikálního řešení oproti numerickému přiblížení. Přesné řešení totiž umožňuje studovat detaily jevů, které zůstávají numerickému přístupu skryty.
Reference: Nickeler, D.H. a kol., Self-consistent stationary MHD shear flow in the solar atmosphere as elecric field generators, Astronomy & Astrophysics in press (2014), arXiv:1407.3227
Kontakt: Dr. Dieter Nickeler, dieter.nickeler@asu.cas.cz