Ο Eugene Parker και ηλιακός άνεμος

Ο Eugene Parker, o οποίος πρόσφατα έφυγε από τη ζωή, ήταν ένας πρωτοπόρος αστροφυσικός και ο πρώτος που στα μέσα της δεκαετίας του 1950 πρότεινε την ιδέα της ροής του ηλιακού ανέμου. Μια ιδέα που αρχικά αντιμετωπίστηκε με σκεπτικισμό από την επιστημονική κοινότητα… Τελικά βέβαια η ιδέα του όχι απλά ήταν σωστή αλλά καθόρισε και την εικόνα που έχουμε σήμερα για τις επιπτώσεις της ηλιακής δραστηριότητας στο ηλιακό σύστημα και στο διάστημα.

Τι είναι όμως ο ηλιακός άνεμος; 

Ο ηλιακός άνεμος είναι μια ροή φορτισμένων σωματιδίων που απελευθερώνονται από τα ανώτερα στρώματα της ηλιακής ατμόσφαιρας, που ονομάζεται ηλιακό στέμμα. Τα σωματίδια αυτά είναι πλάσμα που αποτελείται από πρωτόνια, ηλεκτρόνια και πυρήνες του στοιχείου “ήλιον” (He), κινητικών ενεργειών μεταξύ 0,5-10 keV¹. Ταυτόχρονα με τα σωματίδια αυτά εκτοξεύεται, παγωμένο εντός του πλάσματος (frozen in), και μαγνητικό πεδίο. Η πυκνότητα, η θερμοκρασία και η ταχύτητά του ηλιακού ανέμου διαφέρει ανάλογα με τη φάση του ηλιακού κύκλου, καθώς και με τα ηλιογραφικά μήκη και πλάτη που καταγράφεται.

Αρχικά, χάριν απλούστευσης, ο Parker θεώρησε ότι το ηλιακό πλάσμα αποτελείται από ένα είδος μακροσκοπικά ουδέτερων σωματιδίων (δηλαδή δεν έχουν φορτίο). Επίσης θεώρησε ότι το πλάσμα αυτό κινείται από τον Ήλιο προς τα έξω σφαιρικά και ακτινικά, δηλαδή βγαίνει από ολόκληρη την “επιφάνεια”² του Ήλιου και απομακρύνεται ακολουθώντας ευθείες γραμμές. Για να γίνει πιο κατανοητό, σκεφτείτε τον Ήλιο ως μια τεράστια πηγή που αναβλύζει νερό και από εκεί ξεκινούν άπειρα ποτάμια με το νερό να ρέει προς τους πλανήτες. Με αυτές τις υποθέσεις, μπόρεσε να χρησιμοποιήσει κάποιες βασικές εξισώσεις, όπως την εξίσωση της συνέχειας³ και την καταστατική εξίσωση, και απέδειξε ότι η ταχύτητα του ηλιακού πλάσματος εξαρτάται από την απόσταση κάθε σημείου από τον Ήλιο. Σύμφωνα με τον Parker λοιπόν, η ταχύτητα του ηλιακού ανέμου αυξάνεται αρχικά και για μεγάλες αποστάσεις σταθεροποιείται. Στις αποστάσεις αυτές η πίεση και η πυκνότητα του πλάσματος είναι εξαιρετικά μικρές. Έτσι πρότεινε μια διαρκή εκτόνωση του ηλιακού ανέμου συναρτήσει της απόστασης από τον Ήλιο, η οποία διαφοροποιείται λίγο, ανάλογα με τη θερμοκρασία του στέμματος κάθε φορά. Πάνω σε αυτή τη θεωρία έχουν πλέον αναπτυχθεί πολλά μοντέλα με περισσότερα είδη σωματιδίων και με υποθέσεις πιο κοντά στην πραγματικότητα, όπως την παρατηρούμε πια με τα σύγχρονα όργανα καταμέτρησης. Χάρη σε αυτές τις παρατηρήσεις έχουμε κατακτήσει αρκετές γνώσεις για τον ηλιακό άνεμο.

Με τη βοήθεια των μαθηματικών λοιπόν ο Parker κατάφερε να καθορίσει τις συνθήκες που θα μπορούσαν να παράξουν μια υπερηχητική ροή σωματιδίων από την “επιφάνεια” του Ήλιου προς το διαπλανητικό χώρο. Η θεωρία του επιβεβαιώθηκε το 1962 όταν ο δορυφόρος Mariner II ταξίδεψε στην Αφροδίτη και κατέγραψε μια σταθερή ροή σωματιδίων. Αυτή η ροή τελικά αποδείχτηκε ότι επηρεάζει σημαντικά το σύνολο των σωμάτων του ηλιακού συστήματος, συμπεριλαμβανομένης και της καθημερινότητάς μας στη Γη (για περισσότερες πληροφορίες δείτε εδώ). Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η γήινη μαγνητόσφαιρα, η οποία ναι μεν μας προστατεύει από την επιβλαβή ακτινοβολία, αλλά στην περίπτωση μιας ηλιακής έκλαμψης τα φορτισμένα σωματίδια εντός της επιδρούν στα συστήματα επικοινωνίας (τηλεπικοινωνιακούς δορυφόρους, GPS και άλλα).

Το ότι τα χαρακτηριστικά του ηλιακού ανέμου δεν είναι σταθερά και μεταβάλλονται ανάλογα με τη φάση του ηλιακού κύκλου δεν ήταν γνωστό εξ αρχής. Μόνο όταν η διαστημοσυσκευή Ulysses βρέθηκε εκτός επιπέδου εκλειπτικής κατέστη δυνατή μια πρώτη εκτίμηση των βασικών χαρακτηριστικών ποσοτήτων του, καθώς και της χρονικής εξάρτησής τους από την ηλιακή δραστηριότητα.

Ο ηλιακός άνεμος πλέον διαχωρίζεται σε γρήγορο και αργό, ανάλογα με την ταχύτητα με την οποία κινείται. Μέσω των παρατηρήσεων από δορυφόρους έγινε κατανοητό ότι ο γρήγορος ηλιακός άνεμος προέρχεται από τις στεμματικές οπές και όχι από το ισημερινό επίπεδο του Ηλίου. Η ταχύτητα του κυμαίνεται μεταξύ 400 και 800 km/s ανάλογα από τη φάση στην οποία βρίσκεται η ηλιακή δραστηριότητα. Αντίθετα, ο αργός ηλιακός άνεμος ξεκινά από το ισημερινό επίπεδο και η ταχύτητά του είναι από 250 km/s έως 400 km/s. Παρουσιάζει έντονη μεταβλητότητα καθώς αλληλεπιδρά με τον γρήγορο άνεμο, με αποτέλεσμα τη δημιουργία κρουστικών κυμάτων στο διαπλανητικό χώρο.

Ως αναγνώριση της προσφοράς του Parker στο πεδίο της ηλιακής φυσικής, η NASA το 2017 ανακοίνωσε ότι η επόμενη ηλιακή αποστολή θα φέρει το όνομά του. Η τιμή είναι ακόμα μεγαλύτερη, καθώς είναι η πρώτη φορά που η NASA δίνει το όνομα ενός εν ζωή φυσικού σε μια αποστολή της. Αυτή είναι το Parker Solar Probe, το οποίο ήδη έχει κάνει αρκετές περιστροφές γύρω από τον Ήλιο και έχει  στείλει πλήθος νέων δεδομένων.

Ο Parker συνέβαλε με τις θεωρίες του τα μέγιστα στο σύνολο των πεδίων της αστροφυσικής, καθώς κατάφερε να αναδείξει την περίπλοκη φυσική πίσω από βασικές έννοιες της αστροφυσικής, όπως τα μαγνητικά πεδία στο διάστημα και τη δυναμική του πλάσματος.

1: 1 keV=1000 eV=1.602 176 53 ∙ 10⁻¹⁶ J 

 1eV είναι η κινητική ενέργεια που αποκτά ένα ηλεκτρόνιο σε ηρεμία όταν επιταχυνθεί μέσω διαφοράς δυναμικού 1 Volt στο κενό

2: H επιφάνεια του Ήλιου είναι δυναμική. Δεν είναι στερεή, όπως της Γης και του Άρη. Ως επιφάνεια του Ήλιου θεωρείται η φωτόσφαιρα, το στρώμα που βλέπουμε δηλαδή με γυμνό μάτι από τη Γη. Στην πραγματικότητα η φωτόσφαιρα είναι το πρώτο επίπεδο της ηλιακής ατμόσφαιρας.

3: Η εξίσωση συνέχειας περιγράφει τη χρονική εξάρτηση μιας διατηρήσιμης ποσότητας. Στο παράδειγμα με το νερό, διαισθητικά καταλαβαίνουμε ότι όσο νερό αναβλύζει από την πηγή, θα μεταφερθεί μέσω των ποταμών και στον υπόλοιπο χώρο. Στην περίπτωση του ηλιακού πλάσματος, έξω από την “πηγή” του (τον Ήλιο), ισχύει το εξής: το ρευστό (ή ακριβέστερα η πυκνότητα ύλης) δε δημιουργείται ή καταστρέφεται, αλλά κινείται με σαφώς καθορισμένο τρόπο ως μια συνεχής ροή. 

Πηγές:

https://news.uchicago.edu/story/eugene-parker-legendary-figure-solar-science-and-namesake-parker-solar-probe-1927-2022

https://solarsystem.nasa.gov/solar-system/sun/in-depth/

E.N. Parker: “Dynamics of the Interplanetary Gas and Magnetic Fields”, ApJ 128, 664, 1958. DOI: 10.1086/146579