Στεμματικές εκτινάξεις μάζας μέσα από αριθμητικές προσομοιώσεις και τρισδιάστατη απεικόνιση των μαγνητικών δομών

Ο Ήλιος, το πιο κοντινό αστέρι στην Γη, μπορεί να φαίνεται ήρεμος όταν τον βλέπουμε να ανατέλλει και να δύει, όμως στην πραγματικότητα είναι ένα δυναμικό «εργοστάσιο» παραγωγής ισχυρών μαγνητικών πεδίων και πλάσματος (ιονισμένου αερίου). Ανάμεσα στα πιο εντυπωσιακά φαινόμενα είναι οι στεμματικές εκτινάξεις μάζας, οι γνωστές CMEs (Coronal Mass Ejections): τεράστια «σύννεφα» πλάσματος που παρασύρουν μαζί τους μαγνητικό πεδίο και εκτινάσσονται από το στέμμα του Ήλιου στο διαπλανητικό χώρο, όπως καταγράφηκε για παράδειγμα από τα όργανα του τηλεσκοπίου SOHO το 2002 σε μια ισχυρή εκτίναξη στεμματικής μάζας (Εικόνα 1) .

Αν μία CME κατευθυνθεί προς τη Γη, μπορεί να διαταράξει τη μαγνητόσφαιρα και να προκαλέσει γεωμαγνητικές καταιγίδες, με επιπτώσεις σε δορυφόρους, επικοινωνίες και συστήματα πλοήγησης. 

Στην Εικόνα 2 φαίνεται η δομή και η μορφολογία μιας πραγματικής CME, όπως τις καταγράφει ένας στεμματογράφος (coronagraph): ένα όργανο που κρύβει τεχνητά τον φωτεινό δίσκο του Ήλιου ώστε να βλέπουμε το αχνό στέμμα. Πολλές CMEs παρουσιάζουν μια χαρακτηριστική τριπλή δομή: ένα φωτεινό «μπροστινό άκρο» (leading edge), πίσω του μια πιο σκοτεινή «κοιλότητα» (cavity) και στο εσωτερικό έναν πιο φωτεινό «πυρήνα» (core). Αυτή η μορφολογία είναι σαν μια «ακτινογραφία» της μαγνητικής δομής που εκτοξεύεται: το μπροστινό άκρο δείχνει το συμπιεσμένο υλικό που σπρώχνεται προς τα έξω, η κοιλότητα σχετίζεται συχνά με μια περιοχή όπου κυριαρχεί το μαγνητικό πεδίο, και ο πυρήνας μπορεί να αντιστοιχεί σε πιο πυκνό, ψυχρότερο υλικό που μεταφέρεται μαζί με την έκρηξη.

Πώς όμως δημιουργείται αυτή η μαγνητική δομή; Εδώ μπαίνουν οι προσομοιώσεις. Στη δική μας έρευνα χρησιμοποιούμε τον κώδικα Lare3D [1], ο οποίος λύνει αριθμητικά τις εξισώσεις της μαγνητοϋδροδυναμικής (MHD): τους φυσικούς κανόνες που περιγράφουν πώς αλληλεπιδρούν το πλάσμα και το μαγνητικό πεδίο. Ξεκινάμε κάτω από την ορατή επιφάνεια του Ήλιου, όπου ένα σωληνοειδές μαγνητικό πεδίο μπορεί, λόγω άνωσης, να αναδυθεί προς τα πάνω [2][3]. Όταν φτάσει στην επιφάνεια, «τρυπά» την ηλιακή ατμόσφαιρα και δημιουργεί ένα ενεργό μαγνητικό σύστημα που εξελίσσεται με τον χρόνο. Το κρίσιμο βήμα για μια έκρηξη είναι ότι το μαγνητικό πεδίο δεν μένει ακίνητο: τεντώνεται, συστρέφεται και—σε ορισμένα σημεία—αλλάζει συνδεσιμότητα μέσω μαγνητικής επανασύνδεσης. Η επανασύνδεση είναι σαν να «κόβονται και ξαναδένονται» οι μαγνητικές γραμμές, απελευθερώνοντας μέρος της αποθηκευμένης ενέργειας και επιτρέποντας σε μια συνεκτική δομή τύπου flux rope (ένα «μαγνητικό σχοινί») να σχηματιστεί, να ανυψωθεί και, αν ξεπεραστεί ένα όριο ισορροπίας, να εκραγεί προς τα έξω ως CME όπως φαίνεται και από το βίντεο της προσομοίωσης (Εικόνα 3)[4].

Επειδή τα μαγνητικά πεδία είναι αόρατα όλοι θα έχουμε αναρωτηθεί πως μοιάζουν αυτές οι δομές, αν μπορούσαμε να δούμε τις μαγνητικές γραμμές. Στην Εικόνα 4 παρουσιάζεται η τρισδιάστατη τοπολογία από ένα πείραμα της ομάδας μας, όπου για την απεικόνιση έχουμε χρησιμοποιήσει το λογισμικό οπτικοποίησης Paraview: Οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου, χρωματισμένες σε διαφορετικές ομάδες, δείχνουν διαφορετικές «γειτονιές» συνδεσιμότητας—δηλαδή ποια σημεία στην επιφάνεια συνδέονται μεταξύ τους. Οι χαμηλότερες γραμμές (π.χ. κόκκινες) παραμένουν πιο «δεμένες» κοντά στην επιφάνεια, ενώ οι πιο εκτεταμένες γραμμές (π.χ. μωβ) σχηματίζουν ένα περίβλημα γύρω από την ανερχόμενη δομή. Αυτή η 3D απεικόνιση είναι ουσιαστική και εξηγεί την τριπλή δομή των CMEs που βλέπουμε στις παρατηρήσεις. Οι CMEs είναι τρισδιάστατες δομές και το πώς «δένουν» οι γραμμές μεταξύ τους καθορίζει πού συσσωρεύεται ενέργεια και πώς τελικά απελευθερώνεται.

 Με τις αριθμητικές προσομοιώσεις που χρησιμοποιούμε ο στόχος είναι να δούμε τη «ζωντανή» ιστορία: από την ανάδυση της ροής, στη συσσώρευση της ενέργειας, μέχρι τη στιγμή που το σύστημα χάνει την ισορροπία του και εκτινάσσεται. Οι προσομοιώσεις δεν αντικαθιστούν τις παρατηρήσεις—τις συμπληρώνουν—και μας βοηθούν να συνδέσουμε αυτά που βλέπουμε στις εικόνες του στέμματος με τους αόρατους μαγνητικούς μηχανισμούς που τα προκαλούν.

Βιβλιογραφία

1) A Staggered Grid, Lagrangian–Eulerian Remap Code for 3-D MHD Simulations , Arber, T., Longbottom et al. 2001, JCoPh, 171, 151, DOI:10.1006/jcph.2001.6780

2) Flux Emergence (Theory) ,  Cheung and Isobe, 2014, Living Rev. Solar Phys., 11, (2014), 3, DOI:10.12942/lrsp-2014-3

3) Emergence of magnetic flux from the convection zone into the corona , Archontis et al. 2004, A&A 426, 1047–1063 (2004), DOI: 10.1051/0004-6361:20035934

4)Recurrent CME-like Eruptions in Emerging Flux Regions. I. On the Mechanism of Eruptions, Syntelis et al. 2017, The Astrophysical Journal, Volume 850, Number 1, 2017; doi:10.3847/1538-4357/aa9612