Výzkumy v ASU AV ČR (62): Lze pozorovat ohřev koróny nanoerupcemi?
Koróna je bezpochyby nejtajemnější vrstvou sluneční atmosféry. Je obtížné ji pozorovat, neboť je horká a její vlastní záření se nachází především v ultrafialové a rentgenové oblasti spektra, není tedy ze Země pozorovatelná. Proč je koróna horká je otázkou, která budí ze sna desítky slunečních fyziků již více než šest desetiletí. Jednou z možností je neustálý ohřev tzv. nanoerupcemi. Na vliv nanoerupcí na rovnováhu koronálního plazmatu se s pomocí modelu podívali Elena Dzifčáková a Jaroslav Dudík z ASU.
Korónu Slunce můžeme sledovat i při vzácných úplných zatměních Slunce i v optickém oboru, to však nejde o vlastní záření koróny, ale o svit fotosféry rozptýlený na volných elektronech nacházejících se v koronálních strukturách. Divukrásné snímky úplných slunečních zatmění tak sice přinášejí velmi podrobnou informaci o vzhledu koróny, ale již jen málo o reálných fyzikálních poměrech, které zde panují. Chceme-li určit například teplotu nebo hustotu materiálu, musíme se spolehnout na již zmíněné vlastní záření v oborech pozorovatelných pouze z kosmických družic nebo výškových raket.
Koróna dosahuje teplot okolo jednoho milionu stupňů v tzv. klidných oblastech, ale přesahuje i šestinásobek této hodnoty v oblastech aktivních. Vzhledem k tomu, že pod ní ležící chromosféra a fotosféra mají teploty nižší (deset a šest tisíc stupňů), je zřejmé, že od nich se koróna neohřívá. Teplo musí nahoru transportovat jiné procesy, nepochybně související s přítomností magnetických polí, jež dávají za vznik jevům sluneční aktivity. Jednou z obecně přijímaných hypotéz je, že koróna je ohřívána neustále probíhajícími malými erupcemi. Silné erupce, takové, o nichž se občas mluví i ve sdělovacích prostředcích sice uvolní velké množství energie, ale dojde k nim relativně vzácně. Naproti tomu erupce menší, třeba miliardkrát menší (odtud nano-erupce), probíhají prakticky neustále a je jich také o mnoho řádů více, co se týká počtu. Jsou tedy slibným (byť ne jediným) kandidátem pro vysvětlení teploty koróny.
Probíhající nanoerupce mají vliv na rovnováhu plazmatu, které ohřívají. Ukazuje se, že tento impulsní ohřev probíhá na časových škálách kratších, než je typická doba, kterou plazma potřebuje, aby ustanovilo rovnováhu. Pokud tedy v plazmatu pozorujeme nerovnováhu, bylo by to indikátorem impulsního ohřevu. Současně by se v plazmatu měly objevit urychlené částice.
Elena Dzifčáková z ASU a její kolegové zkonstruovali jednoduchý model, na němž vliv impulsního ohřevu vyšetřovali. Do pozaďového materiálu s vlastnostmi koronální hmoty uměle periodicky vkládali elektronový svazek. Svazek byl přítomen vždy po polovinu periody, při níž vyvedl pozaďové plazma z rovnováhy, pak byl (opět uměle) vypnut a studovala se relaxace plazmatu k rovnováze. Tento model napodobuje opakovaně probíhající impulsní ohřev nanoerupcí. V každém kroku pak vypočetli syntetické spektrum koronálních emisních čar, soustředili se především na čáry vysoce ionizovaného železa, jež jsou v reálném spektru koróny snadno pozorovatelné.
Délka elektronových pulsů byla vždy několik desítek sekund, což odpovídá přibližně expozičním dobám přístrojů na dnes využívaných kosmických observatořích. Výsledky ukazují, že v přítomnosti periodicky opakujících se pulsů se plazma nikdy nevrátí do ionizační rovnováhy, snad s výjimkou příliš velké hustoty plazmatu. Modelované spektrální čáry železa se v čase velmi rychle mění.
To má ovšem dalekosáhlé důsledky pro případné vyhodnocování reálných pozorování standardními diagnostickými metodami, které ionizační rovnováhu předpokládají. Plazma mimo ionizační rovnováhu se v pozorováních projeví stejně jako směs plazmatu s oblastmi s různými teplotami (tzv. víceteplotní plazma), tedy fyzikálně jiný jev.
Autoři tedy poukazují, že stavy plazmatu mimo ionizační rovnováhu by měly být při analýze reálných slunečních pozorování brány pečlivě v úvahu, jinak může být interpretace těchto pozorování chybná. Současně navrhují, že některé rychle se měnící spektrální čáry by mohly být vhodnými pro posouzení nerovnovážného stavu.
Reference:
Dzifčáková, E., Dudík, J., Mackovjak, Š., Non-equilibrium ionization by a periodic electron beam. I. Synthetic coronal spectra and implications for interpretation of observations, Astronomy&Astrophysics 589 (2016) A68, preprint arXiv:1603.04256
Kontakt:
doc. RNDr. Elena Dzifčáková, CSc., elena@asu.cas.cz
Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v.v.i.