Μια πρόσφατη παρατήρηση ίσως δώσει τη λύση στον γρίφο που ταλαιπωρεί για χρόνια τους επιστήμονες: πώς γίνεται το στέμμα του Ηλιου να είναι θερμότερο από την επιφάνεια του άστρου;
Η ατμόσφαιρα του Ηλίου έχει θερμοκρασία 1.000.000 βαθμούς Κελσίου, αλλά θερμαίνεται από την επιφάνειά του που έχει θερμοκρασία μόλις 5.500 βαθμούς. Η κατάσταση αυτή, η οποία εκ πρώτης όψεως παραβιάζει τους νόμους της Θερμοδυναμικής, αφού ένα «κρύο» στρώμα θερμαίνει ένα άλλο σε υψηλότερη θερμοκρασία, προβληματίζει τους αστρονόμους εδώ και δεκαετίες, χωρίς να έχει βρεθεί ως σήμερα μια γενικά παραδεκτή ερμηνεία. Η πρόσφατη ανακάλυψη πιδάκων υπέρθερμου αερίου που εκτοξεύονται από την επιφάνεια του Ηλίου προς την ατμόσφαιρά του μπορεί να αποτελεί ένα σημαντικό βήμα στην επίλυση αυτού του άλυτου, ως σήμερα, προβλήματος.
Ο γρίφος της ηλιακής Φυσικής
Από την εποχή που η τεχνολογία των οργάνων επέτρεψε τη μέτρηση της θερμοκρασίας των διάφορων εξωτερικών στρωμάτων του Ηλίου, οι αστρονόμοι που ασχολούνται με την ηλιακή Φυσική βρέθηκαν αντιμέτωποι με έναν πραγματικό «γρίφο». Η επιφάνεια του Ηλίου, η οποία στην Αστρονομία ονομάζεται φωτόσφαιρα και είναι εκείνο το στρώμα του που ακτινοβολεί το κιτρινωπό φως που βλέπουμε με γυμνό μάτι, έχει θερμοκρασία 5.500 βαθμούς Κελσίου. Η φωτόσφαιρα περιβάλλεται από την ατμόσφαιρα του Ηλίου, η οποία αποτελείται από δύο στρώματα: το εσωτερικό και λεπτό, που ονομάζεται χρωμόσφαιρα, και το εξωτερικό και εκτεταμένο, που ονομάζεται στέμμα. Η θερμοκρασία της φωτόσφαιρας είναι εύκολο να μετρηθεί, και ήταν ήδη γνωστή από τον 19ο αιώνα. Αντίθετα, το στέμμα εκπέμπει πολύ ασθενές φως και είναι ορατό μόνο κατά τη διάρκεια ολικών εκλείψεων ή με τη βοήθεια ενός ειδικού τηλεσκοπίου, που ονομάζεται στεμματογράφος. Το αποτέλεσμα είναι ότι η θερμοκρασία του στέμματος έγινε δυνατό να μετρηθεί μόλις στα μέσα του 20ού αιώνα, και βρέθηκε ότι είναι πάνω από 1.000.000 βαθμοί Κελσίου. Αυτή η μέτρηση έθεσε ένα από τα πιο δυσεπίλυτα προβλήματα της ηλιακής Φυσικής: Αφού η ενέργεια που θερμαίνει το στέμμα προέρχεται από τον Ηλιο, πώς είναι δυνατόν αυτό να έχει θερμοκρασία 1.000.000 βαθμούς, όταν η φωτόσφαιρα έχει θερμοκρασία μερικές χιλιάδες βαθμούς; Η κατάσταση είναι ανάλογη με το να λέγαμε ότι βράζουμε νερό σε θερμοκρασία 100 βαθμούς πάνω σε ένα μάτι που δεν είναι «αναμμένο» και έχει θερμοκρασία μόνο 20 βαθμούς Κελσίου, μόνο που στην περίπτωση του Ηλίου η διαφορά θερμοκρασίας είναι πολύ μεγαλύτερη.
Φούρνος μικροκυμάτων
Οπως πολλοί θα θυμούνται από το σχολείο, σύμφωνα με τους νόμους της Θερμοδυναμικής η θερμότητα ρέει από τα θερμότερα προς τα ψυχρότερα σώματα. Στην περίπτωση του Ηλίου όμως, αυτό θα σήμαινε ότι η θερμότητα θα έπρεπε να ρέει από το στέμμα προς τη φωτόσφαιρα, δηλαδή να επιστρέφει στον Ηλιο και όχι να εκπέμπεται από αυτόν, πράγμα που είναι προφανώς άτοπο. Αρα θα πρέπει να αναζητήσουμε τον μηχανισμό θέρμανσης του στέμματος σε φαινόμενα περισσότερο πολύπλοκα από την απλή διάδοση της θερμότητας. Ενα από τα πρώτα φαινόμενα που προτάθηκαν από τους αστροφυσικούς ήταν η απορρόφηση από την ύλη του στέμματος ακτινοβολίας προερχόμενης από τα κατώτερα στρώματα του Ηλίου. Το φαινόμενο αυτό είναι μέρος πια της καθημερινότητάς μας, αφού χρησιμοποιείται για να θερμάνει τα φαγητά σε έναν φούρνο μικροκυμάτων. Μέσα στον φούρνο υπάρχει ένας πομπός μικροκυμάτων, και τα φαγητά ζεσταίνονται επειδή το νερό που περιέχουν απορροφά την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπέμπει ο πομπός. Δυστυχώς ως σήμερα το σενάριο αυτό δεν έχει επιβεβαιωθεί, αφού τα ηλεκτρικά και μαγνητικά κύματα που βλέπουμε να διαδίδονται από τα κατώτερα στρώματα προς το στέμμα του Ηλίου δεν επαρκούν για να θερμάνουν το στέμμα στην επιθυμητή θερμοκρασία.
Μια άλλη θεωρητική ιδέα είναι η θέρμανση του στέμματος από την ενέργεια που αποδίδει η «εξαφάνιση» ενός τμήματος του ηλιακού μαγνητικού πεδίου. Είναι γνωστό ότι το μαγνητικό πεδίο έχει ενέργεια ανά μονάδα όγκου ανάλογη προς το τετράγωνο της έντασής του. Επομένως όπου το μαγνητικό πεδίο του Ηλίου είναι ισχυρό, έχει «αποθηκευμένα» μεγάλα ποσά ενέργειας. Η ενέργεια αυτή μπορεί να απελευθερωθεί υπό μορφή θερμότητας, αν το μαγνητικό πεδίο μηδενισθεί. Αυτό θεωρητικά είναι δυνατό να γίνει όταν μαγνητικές γραμμές αντίθετης πολικότητας πλησιάζουν μεταξύ τους και αλληλοεξουδετερώνονται. Μια τέτοια διαδικασία όμως θα πρέπει να γίνεται στην περιοχή του στέμματος με σταθερό ρυθμό, έτσι ώστε να επιτυγχάνεται μια σταθερή, λίγοπολύ, θερμοκρασία εκεί, γεγονός που δεν υποστηρίζεται από τις παρατηρήσεις. Ετσι ο μηχανισμός θέρμανσης του ηλιακού στέμματος έχει παραμείνει ένα ανοιχτό πρόβλημα για τους αστρονόμους.
Οι υπέρθερμες ακίδες
Πρόσφατα όμως ανακοινώθηκε η παρατήρηση ενός άγνωστου, ως σήμερα, φαινομένου, το οποίο θα μπορούσε να συντελέσει στη λύση αυτού του προβλήματος. Το φαινόμενο αυτό είναι η μεταφορά υπέρθερμου υλικού από τη φωτόσφαιρα προς το στέμμα.
Η παρατήρηση έγινε από έναν νέο αμερικανικό δορυφόρο, το Ηλιακό Δυναμικό Αστεροσκοπείο (Solar Dynamic Οbservatory), σε συνδυασμό με τον ιαπωνικό δορυφόρο Ηinode. Τα τηλεσκόπια αυτών των δορυφόρων αποτύπωσαν με απαράμιλλη λεπτομέρεια τη θερμοκρασία και την ταχύτητα ενός είδους πιδάκων, οι οποίοι ονομάζονται ακίδες (spiculae) και μεταφέρουν υπέρθερμο υλικό από την περιοχή της χρωμόσφαιρας προς την περιοχή του στέμματος. Η θερμοκρασία του υλικού των πιδάκων ήταν πολύ μεγάλη και σε μερικές περιπτώσεις ξεπερνούσε το 1.000.000 βαθμούς, ενώ η ταχύτητά του ήταν 240.000
χιλιόμετρα την ώρα. Οι ακίδες είναι ένα γνωστό φαινόμενο της ηλιακής χρωμόσφαιρας, αλλά ως σήμερα δεν είχε καταστεί δυνατό να μετρήσουμε τη θερμοκρασία και την ταχύτητα του υλικού των πιδάκων επειδή δεν υπήρχαν τα κατάλληλα όργανα παρατήρησης. Νεότερες και πιο αναλυτικές παρατηρήσεις αναμένεται να δείξουν αν το υπέρθερμο υλικό με το οποίο οι ακίδες τροφοδοτούν το στέμμα θα μπορέσει να λύσει, έστω και εν μέρει, το μυστήριο της θέρμανσης του στέμματος.
Ο κ. Χάρης Βάρβογλης είναι καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.
Ο γρίφος της ηλιακής Φυσικής
Από την εποχή που η τεχνολογία των οργάνων επέτρεψε τη μέτρηση της θερμοκρασίας των διάφορων εξωτερικών στρωμάτων του Ηλίου, οι αστρονόμοι που ασχολούνται με την ηλιακή Φυσική βρέθηκαν αντιμέτωποι με έναν πραγματικό «γρίφο». Η επιφάνεια του Ηλίου, η οποία στην Αστρονομία ονομάζεται φωτόσφαιρα και είναι εκείνο το στρώμα του που ακτινοβολεί το κιτρινωπό φως που βλέπουμε με γυμνό μάτι, έχει θερμοκρασία 5.500 βαθμούς Κελσίου. Η φωτόσφαιρα περιβάλλεται από την ατμόσφαιρα του Ηλίου, η οποία αποτελείται από δύο στρώματα: το εσωτερικό και λεπτό, που ονομάζεται χρωμόσφαιρα, και το εξωτερικό και εκτεταμένο, που ονομάζεται στέμμα. Η θερμοκρασία της φωτόσφαιρας είναι εύκολο να μετρηθεί, και ήταν ήδη γνωστή από τον 19ο αιώνα. Αντίθετα, το στέμμα εκπέμπει πολύ ασθενές φως και είναι ορατό μόνο κατά τη διάρκεια ολικών εκλείψεων ή με τη βοήθεια ενός ειδικού τηλεσκοπίου, που ονομάζεται στεμματογράφος. Το αποτέλεσμα είναι ότι η θερμοκρασία του στέμματος έγινε δυνατό να μετρηθεί μόλις στα μέσα του 20ού αιώνα, και βρέθηκε ότι είναι πάνω από 1.000.000 βαθμοί Κελσίου. Αυτή η μέτρηση έθεσε ένα από τα πιο δυσεπίλυτα προβλήματα της ηλιακής Φυσικής: Αφού η ενέργεια που θερμαίνει το στέμμα προέρχεται από τον Ηλιο, πώς είναι δυνατόν αυτό να έχει θερμοκρασία 1.000.000 βαθμούς, όταν η φωτόσφαιρα έχει θερμοκρασία μερικές χιλιάδες βαθμούς; Η κατάσταση είναι ανάλογη με το να λέγαμε ότι βράζουμε νερό σε θερμοκρασία 100 βαθμούς πάνω σε ένα μάτι που δεν είναι «αναμμένο» και έχει θερμοκρασία μόνο 20 βαθμούς Κελσίου, μόνο που στην περίπτωση του Ηλίου η διαφορά θερμοκρασίας είναι πολύ μεγαλύτερη.
Φούρνος μικροκυμάτων
Οπως πολλοί θα θυμούνται από το σχολείο, σύμφωνα με τους νόμους της Θερμοδυναμικής η θερμότητα ρέει από τα θερμότερα προς τα ψυχρότερα σώματα. Στην περίπτωση του Ηλίου όμως, αυτό θα σήμαινε ότι η θερμότητα θα έπρεπε να ρέει από το στέμμα προς τη φωτόσφαιρα, δηλαδή να επιστρέφει στον Ηλιο και όχι να εκπέμπεται από αυτόν, πράγμα που είναι προφανώς άτοπο. Αρα θα πρέπει να αναζητήσουμε τον μηχανισμό θέρμανσης του στέμματος σε φαινόμενα περισσότερο πολύπλοκα από την απλή διάδοση της θερμότητας. Ενα από τα πρώτα φαινόμενα που προτάθηκαν από τους αστροφυσικούς ήταν η απορρόφηση από την ύλη του στέμματος ακτινοβολίας προερχόμενης από τα κατώτερα στρώματα του Ηλίου. Το φαινόμενο αυτό είναι μέρος πια της καθημερινότητάς μας, αφού χρησιμοποιείται για να θερμάνει τα φαγητά σε έναν φούρνο μικροκυμάτων. Μέσα στον φούρνο υπάρχει ένας πομπός μικροκυμάτων, και τα φαγητά ζεσταίνονται επειδή το νερό που περιέχουν απορροφά την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπέμπει ο πομπός. Δυστυχώς ως σήμερα το σενάριο αυτό δεν έχει επιβεβαιωθεί, αφού τα ηλεκτρικά και μαγνητικά κύματα που βλέπουμε να διαδίδονται από τα κατώτερα στρώματα προς το στέμμα του Ηλίου δεν επαρκούν για να θερμάνουν το στέμμα στην επιθυμητή θερμοκρασία.
Μια άλλη θεωρητική ιδέα είναι η θέρμανση του στέμματος από την ενέργεια που αποδίδει η «εξαφάνιση» ενός τμήματος του ηλιακού μαγνητικού πεδίου. Είναι γνωστό ότι το μαγνητικό πεδίο έχει ενέργεια ανά μονάδα όγκου ανάλογη προς το τετράγωνο της έντασής του. Επομένως όπου το μαγνητικό πεδίο του Ηλίου είναι ισχυρό, έχει «αποθηκευμένα» μεγάλα ποσά ενέργειας. Η ενέργεια αυτή μπορεί να απελευθερωθεί υπό μορφή θερμότητας, αν το μαγνητικό πεδίο μηδενισθεί. Αυτό θεωρητικά είναι δυνατό να γίνει όταν μαγνητικές γραμμές αντίθετης πολικότητας πλησιάζουν μεταξύ τους και αλληλοεξουδετερώνονται. Μια τέτοια διαδικασία όμως θα πρέπει να γίνεται στην περιοχή του στέμματος με σταθερό ρυθμό, έτσι ώστε να επιτυγχάνεται μια σταθερή, λίγοπολύ, θερμοκρασία εκεί, γεγονός που δεν υποστηρίζεται από τις παρατηρήσεις. Ετσι ο μηχανισμός θέρμανσης του ηλιακού στέμματος έχει παραμείνει ένα ανοιχτό πρόβλημα για τους αστρονόμους.
Οι υπέρθερμες ακίδες
Πρόσφατα όμως ανακοινώθηκε η παρατήρηση ενός άγνωστου, ως σήμερα, φαινομένου, το οποίο θα μπορούσε να συντελέσει στη λύση αυτού του προβλήματος. Το φαινόμενο αυτό είναι η μεταφορά υπέρθερμου υλικού από τη φωτόσφαιρα προς το στέμμα.
Η παρατήρηση έγινε από έναν νέο αμερικανικό δορυφόρο, το Ηλιακό Δυναμικό Αστεροσκοπείο (Solar Dynamic Οbservatory), σε συνδυασμό με τον ιαπωνικό δορυφόρο Ηinode. Τα τηλεσκόπια αυτών των δορυφόρων αποτύπωσαν με απαράμιλλη λεπτομέρεια τη θερμοκρασία και την ταχύτητα ενός είδους πιδάκων, οι οποίοι ονομάζονται ακίδες (spiculae) και μεταφέρουν υπέρθερμο υλικό από την περιοχή της χρωμόσφαιρας προς την περιοχή του στέμματος. Η θερμοκρασία του υλικού των πιδάκων ήταν πολύ μεγάλη και σε μερικές περιπτώσεις ξεπερνούσε το 1.000.000 βαθμούς, ενώ η ταχύτητά του ήταν 240.000
χιλιόμετρα την ώρα. Οι ακίδες είναι ένα γνωστό φαινόμενο της ηλιακής χρωμόσφαιρας, αλλά ως σήμερα δεν είχε καταστεί δυνατό να μετρήσουμε τη θερμοκρασία και την ταχύτητα του υλικού των πιδάκων επειδή δεν υπήρχαν τα κατάλληλα όργανα παρατήρησης. Νεότερες και πιο αναλυτικές παρατηρήσεις αναμένεται να δείξουν αν το υπέρθερμο υλικό με το οποίο οι ακίδες τροφοδοτούν το στέμμα θα μπορέσει να λύσει, έστω και εν μέρει, το μυστήριο της θέρμανσης του στέμματος.
Ο κ. Χάρης Βάρβογλης είναι καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου