Výzkumy v AsÚ AV ČR (25): Urychlování elektronových svazků ve slunečních erupcích
Sluneční erupce jsou jedním z nejvýraznějších projevů sluneční aktivity. Jejich výzkumu je věnováno značné úsilí, neboť jevy v nich probíhající i s nimi spojené ovlivňují široký meziplanetární prostor a dopadají i na život člověka, především na technologická zařízení umístěná na Zemi i na oběžné dráze. Fyzikálně realistický popis jevů probíhajících při erupci je tedy prvním krokem pro plné pochopení těchto jevů. Michal Varady z AsÚ a jeho kolegové se zabývali jedním z nesouladů mezi předpověďmi současného modelu erupcí s pozorováními.
Standardní model sluneční erupce vychází z toho, že vysoko ve sluneční koróně dojde k přepojení (rekonexi) magnetického pole, které se do těchto výšek vypíná ve formě smyček z fotosféry. Co přesně rekonexi zahajuje a za jakých podmínek k ní dochází je stále předmětem vědeckého výzkumu. Při rekonexi se uvolní energie nahromaděná v napnutých siločarách magnetického pole, dochází k prudkému ohřevu plazmatu v těsném okolí rekonexního bodu na mnoho milionů stupňů. Uvolněná energie magnetického pole však neslouží pouze k ohřevu, ale také ke vzniku rychlých částic (elektronů i protonů) šířících se ve formě svazků jednak do meziplanetárního prostoru a jednak do nižších vrstev sluneční atmosféry.
Elektronové svazky se šíří podél siločar magnetických smyček a sráží se s plazmatem sluneční atmosféry, čímž se účinně brzdí a vyzařují přebytečnou energii na rentgenových vlnových délkách. Paty magnetických smyček jsou proto zdrojem intenzivního rentgenového záření, což svědčí o velmi intenzivních srážkách urychlených částic s částicemi chromosférického plazmatu. Probíhá tzv. impulsní fáze erupce, následovaná fází vyhasínání, při níž se sluneční atmosféra vrací do rovnovážného stavu. Během impulsní fáze přenášejí svazky částic urychlených vysoko v koróně energii dolů do chromosféry, kde vyvolávají intenzivní záření třeba v čarách vodíku. V některých případech se dokonce pozorují tzv. bílé erupce, projevující se bílým zjasněním fotosféry, které podle nejnovějších pozorování svědčí o přítomnosti svazků částic ve velmi hluboké chromosféře, kam podle standardního modelu nemohou proniknout.
Popsaný model sluneční erupce elegantně vysvětluje většinu pozorovaných jevů. S rostoucí dokonalostí pozorovacího materiálu jsou však odhalovány některé slabiny. Pomineme-li vznik bílých erupcí, jejichž otázka je v odborné literatuře v poslední době otevírána stále častěji, je slabinou i pozorované rentgenové záření. Aby bylo možné vysvětlit pozorovanou intenzitu záření v rentgenové oblasti spektra, musel by do srážkové oblasti mířit velmi vysoký tok elektronů. Potřebné vysoké toky by však musely vést ke vzniku silných zpětných elektrických proudů, které by měly tendenci celý proces zeslabit. V rozporu s pozorováním je i očekávaná tloušťka oblasti, v níž vzniká rentgenové záření, již bylo možné odhadnout z moderních pozorování.
Kromě zcela alternativních modelů erupce by situaci bylo možné napravit, kdyby k urychlení elektronových svazků nedošlo pouze v rekonexním bodě a jeho těsném okolí. Tedy pokud by docházelo k jejich dodatečnému urychlování během šíření do nižších vrstev atmosféry. Za urychlování by mohla být odpovědná podélná elektrická pole, a to ať již elektrická pole vznikající náhodně v proudové kaskádě související s probíhající rekonexí, nebo statická elektrická pole původem v zakroucení magnetického pole v erupční smyčce. Tuto situaci vyšetřovali Michal Varady a jeho kolegové prostřednictvím detailního počítačového modelu. Ten v sobě zahrnuje jednak řešení pohybu elektronů v magnetických a elektrických polích, ale také model kolizního vzniku rentgenového záření.
Výsledky práce prokazují, že druhotné urychlování má velký vliv na množství energie uložené elektronovým svazkem v různých vrstvách atmosféry. Započtení dodatečného urychlení umožňuje snížit požadavek na počet elektronů transportovaných z koróny do nižších vrstev na realistické hodnoty při zachování intenzity rentgenového záření. Hloubka v atmosféře, v níž je uloženo nejvíce energie, se v přítomnosti dodatečných elektrických polí snižuje, pro extrémní avšak stále myslitelná elektrická pole až na asi 600 km. Tato hodnota je blízká výšce vzniku bílých erupcí získané z pozorování. Navíc, započtení statického elektrické pole vyvolává výraznou asymetrii v obou patách magnetické smyčky, kterou by mělo být možné ověřit z pozorování. Mělo by tedy být poměrně snadné pozměněný model sluneční erupce ověřit.
Reference: Varady, M. a kol., Modifications of thick-target model: re-acceleration of electron beams by static and stochastic electric fields, Astronomy & Astrophysics 563 (2014) A51, ArXiv:1401.3329
Kontakt: RNDr. Michal Varady, Ph.D., varady@asu.cas.cz
Převzato z webu Astronomického ústavu AV ČR.