Egy lépéssel előrébb a Naplégkör fűtésének megértésében

2019.10.31.

A napfizikában áttörő eredményre jutott egy nemzetközi kutatócsoport Erdélyi Róbert professzor vezetésével, amikor sikerült új módszerekkel magyarországnyi méretű plazmahullám-pulzusokat észlelnie a Nap légkörében. A Sheffieldi Egyetem és az ELTE csillagászát a modern asztrofizika egyik alapkérdéséről, a Naplégkör fűtésének problémájáról és az Alfvén-hullámok megfigyeléséről mint az energia- és tömegtranszport elmélet bizonyításáról kérdeztük.

Mióta tudják a csillagászok, hogy a Nap felszínén kevésbé van meleg, mint a tőle távolabb eső kromoszférában? Honnan lehet ezt egyáltalán tudni?
1879-ben felfedeztek a Nap színképében egy új, a látható fény zöld tartományéba eső színképvonalat. Először azt gondolták, hogy új elemet fedeztek fel, el is nevezték koroniumnak. Úgy fél évszázaddal később kiderült, hogy nem erről van szó, és a zöld színképvonalra született egy másik, azóta is elfogadott magyarázat. A Nap légkörének hőmérséklete olyan magas, hogy a felfedezett színképvonal nem más, mint a Naplégkörben található vas atomok 13-szorosan ionizált vonala. Ahhoz, hogy a vas atom a 26 elektronjából 13-at elveszítsen, hatalmas hőmérsékletre van szükség, kb. 1–2 millió fokra. Így született meg a modern asztrofizikai egyik máig megoldatlan rejtélye: a Naplégkör fűtésének problémája. Azaz: miért nagyságrendekkel melegebb Napunk légköre, mint az alatta lévő Napfelszín, amit fotoszférának hívunk?

Milyen elméletek születtek a rejtély megoldására?
Napunk légkörének külső rétegében, a teljes napfogyatkozások idején előbukkanó napkoronában a hőmérséklet jóval meghaladja az energiát szolgáltató csillagmaghoz több ezer kilométerrel közelebb eső napfelszín (fotoszféra) kb. 5700 Kelvin hőmérsékletét. Erre a különös jelenségre próbálnak magyarázatot adni a naplégkör fűtésének hidrodinamikai, illetve mágneses fűtési modelljei. Az utóbbiak egy családját a magneto-hidrodinamikai hullámok terjedése és disszipációja alkotja, melyek vizsgálata képes egyben diagnosztikai információt is szolgáltatni a csillagunk légkörének változatos képződményeiben uralkodó fizikai körülményekről. Mindkét kutatási terület alapvető fontossággal bír az Univerzum többi részének megismerésében, hiszen mindazt,

amit Napunkat tanulmányozva felfedezünk, bizonyos mértékben általánosítani tudjuk a többi (hasonló) csillagra.

Jelenleg a legígéretesebb energia- és tömegtranszport elmélet az ú.n. mágneses plazmapulzusokkal kapcsolatos. Ezeket a pulzusokat óriási, több magyarországnyi méretű plazmaörvények keltik. A pulzusok több 10 km/s sebességgel száguldanak a Nap felszínétől a felsőbb légköri tartományokba. Útjuk során energiát és plazmát transzportálnak, ezzel fűtve fel a Nap légkörét.

Mi ragadta meg a témában, miért éppen ezzel kezdett el foglalkozni?
Amikor egyetemista voltam, néhai Marik tanár úrhoz mentem témát keresni, mivel nyáron szerettem volna a szünetben apróbb kutatás végezni a TDK keretében. Marik tanár úr a kezembe nyomott egy orosz nyelvű cikket magneto-hidrodinamikai (MHD) lökéshullámokról. Se oroszul nem tudtam, se az MHD hullámokról nem volt sok fogalmam. Egy hónapon keresztül minden szót a szótárból kikeresve haladtam előre napról napra, mire sikerült a cikket úgy-ahogy lefordítanom. Így kezdődött... Aztán kiderült, hogy a téma a modern asztrofizika egyik alapkérdése. Évekig az elméleti oldalról próbáltam megközelíteni, és csak az utóbbi pár évben fókuszáltam kutatócsoportommal a megfigyelési oldalra is. De ez még bonyolultabbnak tűnt, sok nehézséggel!

Mi jelentette az akadályt? Miért volt nehéz bizonyítékot találni?
Az egyik legbonyolultabb kérdés az ú.n. Alfvén-hullámok megfigyelése asztrofizikai környezetben.

Az Alfvén-hullámok a plazma-asztrofizika Szent Grálja, nagyon sok erőfeszítés középpontjában áll a létezésük bizonyítása.

Ezek a hullámok mágneses eredetűek, és csak plazmákban léteznek. Speciális viselkedésük miatt nagyon nehéz megfigyelni őket a természetben, például egy csillag (mint a Nap) légkörében. Ráadásul mi ennek a hullámnak az igen rövid életű, ú.n. pulzus verziója után vadásztunk.

Mi volt az új módszer, amelyik segített?
Két dolog segített abban, hogy egy fontos lépést tehessünk. Az egyik, hogy rendelkezésre állt a jelenleg létező legjobb napfizikai távcső, a Kanári-szigeteken felépített Svéd Naptávcső (SST – Swedish Solar Telescope), amelyiknek páratlan felbontóképességű műszerei vannak. A másik pedig, hogy

sikerült kifejlesztenünk egy intelligens alakzatfelismerő szoftvert, gépi tanulás segítségével.

Algoritmusunk segítségével például kb. 80 százalékkal pontosabban tudjuk megjósolni a napkitörésekkel sokszor együtt járó koronaanyag kidobódások (angolul Coronal Mass Ejection - CME) földi légkörünkkel való kölcsönhatásának idejét, mint a NASA összes többi alkalmazott módszere együttesen. Ezzel vezető szerepet is játszunk ezen a területen, amint az a NASA témával kapcsolatos oldalán is látható.

Ha jól értem, a nagy dolog itt a plazmahullám-pulzusok észlelése. Emlékszik még az első észlelés pillanatára?
Igen, az átütő eredmény a mágneses plazmahullám-pulzusok tulajdonságainak egyértelmű észlelése. Ráadásul annak észlelése, hogy plazmahullám-pulzusból több százezer van minden időpillanatban! Ez azért nagyon izgalmas felfedezés volt, mi magunk is elcsodálkoztunk, hogy milyen sok van minden időpillanatban a Napon ezekből a magyarországnyi méretű plazmaörvények által gerjesztett pulzusokból!

Milyen előrelépést jelent ez a szolárfizikában?
Sikerült először bizonyítékot találni arra, hogy az Alfvén-pulzusoknak jelentős szerepük lehet a naplégkör fűtésében, reményt adva arra, hogy megoldjunk a közeljövőben egy évszázados problémát. Persze, a teljes kép megértéséhez még igen rögös út vezet, sok munkával és feltehetően szerencsével is.

És hogyan hasznosulhat a megfigyelésük a jövőben?
Amennyiben sikerül megérteni, hogyan fűti fel a természet csillagok légkörét sok millió fokos hőmérsékletre az anyag negyedik, azaz plazma-halmazállapotában, akkor ennek

ipari megvalósítása nagyban hozzájárulhat teljesen tiszta, ú.n. zöld energia előállításához,

például fúziós reaktorok segítségével. Ez napjaink egyik legalapvetőbb kérdése, ha még évtizedek múlva is civilizáltan szeretnénk létezni.

Tudja-e már, mi a következő lépés? Mik a tervei?
Persze, dolgozunk is a következő lépésen! De erről inkább majd egy másik alkalommal beszélnék, ugyanis nagy a verseny és sok az igen kitűnő tudású versenytárs. Annyit azért elárulhatok, hogy a következő lépés arról szól, mi a kapcsolat a megfigyelt hatalmas mennyiségű mágneses örvények keltette plazmahullám-impulzusok és a Napból kitörő plazma-kiáramlások között. Ugyanis utóbbiak alapjaiban határozzák meg Űridőjárásunkat, melynek megértése és előrejelezhetősége az egyik kiemelt stratégiai kutatási irány az Európai Unió H2020 kutatásfejlesztési programjában. ELTE-s kollégáimmal és a Magyar Napfizikai Alapítvánnyal közösen mi is ebben a témában kívánunk előrelépni a hamarosan teljesen felújított gyulai Bay Zoltán Napfizikai Obszervatórium forradalmian új eszközparkjának segítségével. Erre mondják angolul: „Watch this place!”.

Forrás: ELTE