Η ηλιακή ατμόσφαιρα και ο «ήρεμος» Ήλιος
Τις τελευταίες δεκαετίες, η μελέτη της ατμόσφαιρας του Ήλιου έχει μπει σε μια χρυσή εποχή. Όργανα στη Γη και στο διάστημα παρατηρούν τα διάφορα στρώματα της ηλιακής ατμόσφαιρας. Τα όργανα αυτά γίνονται όλο και καλύτερα, δίνοντάς μας τη δυνατότητα να παρατηρούμε όλο και μικρότερες περιοχές στον Ήλιο με ολοένα και καλύτερη χρονική ανάλυση. Αυτό μας επιτρέπει να μελετάμε την εξέλιξη των ηλιακών φαινομένων με μεγάλη λεπτομέρεια.
Το σύνολο της συνεχούς ακτινοβολίας του Ήλιου προέρχεται από τη φωτόσφαιρα, την ορατή «επιφάνεια» του Ήλιου. Ακολουθούν η χρωμόσφαιρα, η μεταβατική περιοχή και το στέμμα. Η θερμοκρασία στη φωτόσφαιρα είναι περίπου 6.000 βαθμοί και, ενώ μειώνεται στις πρώτες μερικές εκατοντάδες χιλιόμετρα, στη συνέχεια αυξάνεται δραματικά, μέχρι που φτάνει τα μερικά εκατομμύρια βαθμούς στο στέμμα. Αυτή η αύξηση αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια στην Ηλιακή Φυσική, καθώς φαινομενικά αντιβαίνει στην Αρχή Διατήρησης της Ενέργειας (είναι σαν να ζεσταινόμαστε καθώς απομακρυνόμαστε από μια πηγή θερμότητας).
Οι περιοχές του Ήλιου μακριά από τα εκρηκτικά φαινόμενα της ηλιακής δραστηριότητας ονομάζονται «ήρεμος Ήλιος». Από πολύ νωρίς έγινε αντιληπτό ότι οι περιοχές αυτές βρίσκονται σε διαρκή μεταβολή. Αναρίθμητοι, μικρής κλίμακας μαγνητικοί σχηματισμοί εξελίσσονται και μεταβάλλονται καθώς βρίσκονται σε διαρκή αλληλεπίδραση μεταξύ τους αλλά και με τα κύματα και τα υδροδυναμικά φαινόμενα της περιβάλλουσας ατμόσφαιρας. Επειδή η θέρμανση του στέμματος παρατηρείται παντού στην ηλιακή ατμόσφαιρα, οι επιστήμονες μελετούν τον ήρεμο Ήλιο ώστε να εντοπίσουν τους πιθανούς μηχανισμούς που μπορούν να παρέχουν την κατάλληλη ενέργεια.
Η μελέτη της χρωμόσφαιρας
Η χρωμόσφαιρα γίνεται ορατή κατά τη διάρκεια των ολικών ηλιακών εκλείψεων ως ένα κοκκινωπό δαχτυλίδι γύρω από τον σεληνιακό δίσκο. Βρίσκεται πάνω από τη φωτόσφαιρα και εκτείνεται περίπου από τα 500 μέχρι τα 2.000 χλμ. ύψους. Σε αυτή την περιοχή η θερμοκρασία αυξάνεται μέχρι τις μερικές δεκάδες χιλιάδες βαθμούς. Η χρωμόσφαιρα αποτελείται από τις ψηφίδες, μαγνητικούς σχηματισμούς οι οποίοι φαίνονται σκοτεινοί και επιμήκεις όταν παρατηρούνται με ειδικά φίλτρα. Οι ψηφίδες έχουν τις ρίζες τους στη φωτόσφαιρα, σε μικρές περιοχές όπου παρατηρείται αυξημένη συγκέντρωση μαγνητικών πεδίων. Αυτά τα μαγνητικά πεδία επεκτείνονται καθώς αυξάνεται το ύψος, σαν τεράστια μαγνητικά δέντρα, δίνοντας στη χρωμόσφαιρα τη μορφή της. Γενικά, οι κινήσεις και οι ιδιότητες του υλικού της χρωμόσφαιρας καθορίζονται κυρίως από το μαγνητικό πεδίο του Ήλιου, σε αντίθεση με τη φωτόσφαιρα, όπου η πλειονότητα των φαινομένων είναι κυρίως υδροδυναμικής φύσεως.
Στη συγκεκριμένη μελέτη ερευνήσαμε πώς αλληλεπιδρούν οι ψηφίδες με τα ακουστικά κύματα που παράγονται στη φωτόσφαιρα. Χρησιμοποιήσαμε σειρές εικόνων μιας περιοχής του ήρεμου Ήλιου στο κέντρο του ηλιακού δίσκου, στη φασματική γραμμή «Ηα» του υδρογόνου. Το κόκκινο φως που απορροφάται από το υδρογόνο οφείλεται στην απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας από διάφορα ύψη από τη φωτόσφαιρα ώς τη χρωμόσφαιρα και είναι το ιδανικό για να παρατηρήσει κανείς τις ψηφίδες. Μας δόθηκε, επομένως, η δυνατότητα να έχουμε ταυτόχρονες παρατηρήσεις τόσο των ίδιων των ψηφίδων όσο και των στρωμάτων που βρίσκονται χαμηλότερα από αυτές. Οι εικόνες λήφθηκαν από το Dutch Open Telescope (DOT), που βρίσκεται στο La Palma, στα Κανάρια νησιά. Επίσης, χρησιμοποιήσαμε μετρήσεις του μαγνητικού πεδίου στην ίδια περιοχή στη φωτόσφαιρα, από το τηλεσκόπιο της ιαπωνικής διαστημικής αποστολής HINODE.
Με τη βοήθεια γνωστών μαθηματικών μεθόδων, υπολογίσαμε το μαγνητικό πεδίο στο ύψος της χρωμόσφαιρας. Η πρώτη μας διαπίστωση ήταν ότι, πράγματι, οι σχηματισμοί που παρατηρούμε στη χρωμόσφαιρα ακολουθούν με μεγάλη ακρίβεια το χρωμοσφαιρικό μαγνητικό πεδίο και σχηματίζουν έναν μαγνητικό θόλο. Αυτός διαχωρίζει τα χαμηλότερα μη μαγνητισμένα (ή ασθενώς μαγνητισμένα) στρώματα από την πλήρως μαγνητισμένη χρωμόσφαιρα. Μελετώντας την εξέλιξη των παρατηρήσεων με τον χρόνο μπορέσαμε να διακρίνουμε τις ταλαντώσεις της φωτόσφαιρας και της χρωμόσφαιρας με περιόδους 3 και 5 λεπτών στα διάφορα σημεία της περιοχής. Στη συνέχεια διαπιστώσαμε ότι ένα μέρος των κυμάτων που παράγονται στη φωτόσφαιρα ανακλώνται στον μαγνητικό θόλο, ενώ ένα άλλο μέρος αυτών διαθλάται και διοχετεύεται, μέσω των ψηφίδων, στη χρωμόσφαιρα. Επίσης, για πρώτη φορά σε παρατηρήσεις του ήρεμου Ήλιου, δείξαμε ότι ο τρόπος που γίνεται ο διαχωρισμός αυτός των κυμάτων και η μετατροπή τους σε μαγνητικοϋδροδυναμικά κύματα στις ψηφίδες συμφωνεί με θεωρητικά μοντέλα. Ο χρόνος που απαιτείται για να ταξιδέψουν αυτά τα κύματα από τη φωτόσφαιρα ώς τη χρωμόσφαιρα επηρεάζεται από την παρουσία του μαγνητικού πεδίου, και πάλι σε συμφωνία με τις προβλέψεις των μοντέλων. Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν υπό τη μορφή πέντε εργασιών στην επιστημονική επιθεώρηση «Astronomy & Astrophysics». Στο μέλλον θα πρέπει να εξακριβωθεί κατά πόσο τα κύματα αυτά παρατηρούνται σε μεγαλύτερα ύψη και αν μπορούν να συνεισφέρουν στη θέρμανση του ηλιακού στέμματος.
Η ταυτότητα της έρευνας
Η μελέτη έγινε στο Ινστιτούτο Αστρονομίας, Αστροφυσικής, Διαστημικών Εφαρμογών και Τηλεπισκόπισης (ΙΑΑΔΕΤ) του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών από τον δρ Γιάννη Κοντογιάννη σε συνεργασία με τη διευθύντρια Ερευνών, δρ Γεωργία Τσιροπούλα και τον μεταδιδακτορικό ερευνητή δρ Κώστα Τζιότζιου.
Οι ταλαντώσεις του Ήλιου και η Ηλιοσεισμολογία
Ο Ήλιος ταλαντώνεται παράγοντας ένα φάσμα από περιοδικές διακυμάνσεις. Αυτές μελετήθηκαν για πρώτη φορά στη δεκαετία του 1960 από οπτικές παρατηρήσεις. Από αυτές τις διακυμάνσεις, εκείνες που έχουν περίοδο μεγαλύτερη των 5 λεπτών μπορούν να διαδοθούν ως κύματα μόνο στο εσωτερικό του Ήλιου και τη φωτόσφαιρα. Οι ταλαντώσεις με περιόδους μικρότερες των 3 λεπτών μπορούν να διαδοθούν κατακόρυφα προς τα ανώτερα στρώματα της ηλιακής ατμόσφαιρας. Επομένως, μας δίνεται η δυνατότητα να χρησιμοποιήσουμε τα κύματα στην ηλιακή ατμόσφαιρα για να μελετήσουμε το εσωτερικό του και την ατμόσφαιρά του, με τον ίδιο τρόπο που γίνεται στη Γη. Ο κλάδος αυτός της Ηλιακής Φυσικής ονομάζεται Ηλιοσεισμολογία. Τα παραπάνω αποτελέσματα αφορούν την ατμόσφαιρα του Ήλιου, εάν αγνοήσουμε εντελώς τις μαγνητισμένες δομές. Ωστόσο, τα κύματα αυτά αλληλεπιδρούν με τον μαγνητισμό της ηλιακής ατμόσφαιρας, με αποτέλεσμα να έχουμε μια σειρά από μαγνητοϋδροδυναμικά κύματα, δηλαδή κύματα στα οποία, εκτός από το ηλιακό πλάσμα, ταλαντώνεται και το ίδιο το μαγνητικό πεδίο. Το μαγνητικό πεδίο πιστεύεται ότι λειτουργεί σαν δίαυλος, μέσα από τον οποίο ένα μέρος των ακουστικών κυμάτων της φωτόσφαιρας διοχετεύεται στα ανώτερα στρώματα της ηλιακής ατμόσφαιρας υπό τη μορφή μαγνητικών κυμάτων. Έχει προταθεί ότι κάποια από αυτά μπορούν να παρέχουν μέρος της ενέργειας που θερμαίνει το ηλιακό στέμμα. Για αυτό τον λόγο τα διάφορα είδη μαγνητοϋδροδυναμικών κυμάτων στη χρωμόσφαιρα αποτελούν αντικείμενο μελέτης από την επιστημονική κοινότητα.
