Su liep­sno­jan­čio­mis liū­ti­mis, spar­čiais mag­ne­ti­nio lau­ko pa­si­kei­ti­mais ir fi­zi­kos dės­nius pa­nei­gian­čia at­mos­fe­ra – mū­sų žvaig­ždė yra kuo keis­čiau­sia

Lietinga, gali būti tornadų

Mūsų galaktikoje – milijardų milijardai žvaigždžių. Daug jų šviečia ryškiai, joms nulemta supernovų dalia, tuo tarpu kitos – tik blankios nuodegos. Jos būna ir vienišos ir poromis; su planetinėmis kompanionėmis ar be jų. Žvelgėme toli į visatą, vildamiesi suprasti žvaigždes, bet galiausiai viskas, ką žinome, remiasi vienu atspirties tašku, Saule. Tačiau mūsiškė žvaigždė tebelieka paslaptinga.

„Manoma, kad ji suprasta, nes juk šalia, taip arti ir šeimininkauja danguje,“ sako astrofizikas Eamonas Scullionas iš Trinity koledžo Dubline, Airijoje. „Kaip galime suprasti kitus kosmoso aspektus, jei su artimiausia žvaigžde nesusitvarkome?“

Nors gal ir gali tekti grįžti į žaidimo pradžią, yra dalykų, kuriuos apie Saulę žinome. Ji sudaryta iš plazmos – jonizuotų, ar kitaip, smarkiai įelektrintų dujų. Savo branduolyje ji jungia vandenilį. Ji čaižo mus radiacija ir svarbiausia, tai yra gyvybę suteikianti šviesa. Lyginant su kitomis žvaigždėmis, ji maždaug vidutinio amžiaus, besisukinėjanti šalimais jau 4,6 milijardus metų. Ir jai tikriausiai liko dar 5 ar panašiai milijardų iki tol, kol išsipūs į raudonąją milžinę, prarysiančią Merkurijų, Venerą ir Žemę. Tačiau netrūksta ir nesuprantamų Saulės fenomenų ir štai keli keisčiausi.

Saulėje lyja

Žinome, kad Saulė lemia orus Žemėje ir kosmose, bet ir joje pačioje vyksta dramatiški orų reiškiniai.

„Žmonės įsivaizduoja milžinišką degančių dujų burbulą, ir kad nuo jo viskas lekia tūkstančių kilometrų per sekundę greičiu,“ sako Scullionas. Iš tiesų, Saulės plazma gali kristi atgal ant paviršiaus kaip lietus.

Nors vadinamasis vainikinis (coronal) lietus buvo numatytas maždaug prieš 40 metų, kol mūsų teleskopai netapo pakankamai stiprūs, negalėjome jo matyti ar tyrinėti. Jo veikimas šiek tiek primena vandens ciklą Žemėje – kur garai šyla, kyla, formuoja debesis, atvėsta pakankamai, kad kondensuotųsi į skystį ir krenta ant žemės kaip krituliai. Didžiausias skirtumas, kad plazma nesikeičia iš dujų į skystį, o tiesiog atvėsta pakankamai, kad nukristų ant Saulės paviršiaus.

Visa tai vyksta labai greitai ir gargantiuelišku mastu, kur valstybių dydžio „lašeliai“ krenta iš 63 000 kilometrų aukščio – maždaug šeštadalio atstumo nuo Žemės iki Mėnulio. „Iš esmės, maždaug per 10 minučių sukuriami Airijos dydžio lašai, krentantys iš dangaus 200 000 kilometrų per valandą greičiu,“ sako Scullionas.

Panašiai formuojasi ir Saulės tornadai. Sūkuriuojanti Saulės plazma sukuria verpetus, verčiančius magnetinius laukus suktis spiralėmis į supertornadus, nuo paviršiaus siekiančius viršutinę atmosferą. Čia ją kaitina, perduodami energiją, ar bent jau taip mano mokslininkai.

Ji turi seniai prarastą sesę

Gal dabar Saulė ir vieniša – jos artimiausias kaimynas už 4,2 š.m. – bet taip buvo ne visada. Kadaise ji turėjo artimą šeimyną. Po gimimo tame pačiame dulkių ir dujų debesyje, suformavusiame mūsų sistemą, šios Saulės sesės išsibarstė per šimtus šviesmečių Paukščių Take.

Gegužę astronomai pranešė apie pirmąją: žvaigždę HD 162826.

„Ji atrodo kaip Saulė, bet šiek tiek mėlynesnė,“ sako Ivanas Ramirezas iš Teksaso universiteto Austine, vadovavęs tyrimui. Ji taip pat šiltesnė už Saulę ir 15 procentų masyvesnė. Žvaigždė yra maždaug už 110 š.m. ir ją galima stebėti žiūronais Heraklio žvaigždyno kairėje rankoje.

Siekdama surasti šeimos ryšius, Ramirezo komanda peršukavo galaktinės archeologijos tyrimus, modeliuojančius Paukščių Tako judėjimą. Šios prognozės nurodė, kur galėtų būti seseriškos žvaigždės, jeigu jos susiformavo ten pat, kur ir Saulė. Nors jos pasklido skirtingomis kryptimis, jų pozicija vis vien išduoda gimimo vietą, sako Ramirezas.

Jis susiaurino paieškų plotą iki 30 žvaigždžių, ir tada jas nuodugniai apžiūrėjo, ieškodamas giminės bruožų. Tik HD 162826 cheminė sudėtis buvo panaši į Saulės. Atskira komanda, vadovaujama Erico Mamajeko Rochesterio universitete Niujorke taip pat tyrė žvaigždę ir išsiaiškino, kad jos amžius toks pat, kaip Saulės, kaip ir būtų galima tikėtis iš kartu gimusių žvaigždžių. Dar daugiau vilčių teikia tai, kad HD 162826 jau įrašyta galinčių turėti planetas žvaigždžių kataloge.

Saulės sesių nustatymas galėtų pateikti astronomams naujų detalių apie mūsiškės sistemos gimimą, taip pat ir apie Saulės ir planetų formavimosi metu buvusias sąlygas. Bet ne vien mokslinis smalsumas skatino Ramirezą ieškoti Saulės šeimynos narių. „Tai daryti yra kieta,“ sako jis.

Jis planuoja ir toliau ieškoti pasimetusių vados, iš kurios kilo Saulė, narių. Dauguma jų tikriausiai raudonosios nykštukės, labiausiai paplitusios Galaktikos žvaigždės. Mažesnes ir vėsesnes už Saulę, jas daug sunkiau įžvelgti. Bet praeitą gruodį paleistas teleskopas Gaia gali padėti aptikti daugiau Saulės seserų, kadangi stebės milijardus žvaigždžių, kad sudarytų pirmąjį trimatį Paukščių Tako žemėlapį.

Jos kalendorius keistuoliškas

Mūsų planetos kalendorius gerai žinomas: apsisukimas apie savo ašį trunka 24 valandas – parą, – o kelionė aplink Saulę trunka 365 dienas – metus. Tačiau Saulės grafikas nė iš tolo neprimena mūsiškio. Skirtingos Saulės dalys sukasi skirtingu tempu. Taigi, jei diena žvaigždės ekvatoriuje trunka 25 žemiškas dienas, artimesniuose ašigaliams regionuose apsisukimas trunka keliomis dienomis ilgiau. Šis netolygus sukimasis trikdo Saulės magnetinį lauką ir tai turi šalutinį poveikį. Sukdamasis ekvatorius tempia Saulės ašigalius jungiantį magnetinį lauką, sako Alexas Youngas iš NASA'os Goddardo kosmoso skrydžių centro Greenbelte, (MD). Iš to kyla kitas keistas kalendoriaus fenomenas: Saulės maksimumai ir minimumai.

Dėl sukimosi Saulės magnetiniame lauke „ima kauptis įtampa ir slėgį, panašiai, lyg suktumėte guminę juostą ir ji susigarankščiuoja“, paaiškina Youngas. Kažkas turi neatlaikyti ir magnetiniai laukai nutrūksta ir išlaisvina energiją kaip karštį ar Saulės žybsnius ar pašėlusios energijos debesis, vadinamuosius vainikinės masės išsiveržimus (CME).

Šis ciklas, nuo magnetinio sukimosi iki energijos išlydžio tęsiasi apie 11 metų – iš čia ir nuosavas Saulės kalendorius. Per vadinamąjį Saulės aktyvumo minimumą, žybsnių būna nedaug, ir todėl dėl intensyvių magnetinių laukų atsiranda tamsios Saulės dėmės.

Saulės maksimumo metu, paviršiuje atsiranda daugiau Saulės dėmių, spjaudančių daugiau žybsnių ir CME. Elektringų dalelių srautai srūva per Saulės atmosferos plyšius ir skrieja per visą Saulės sistemą. Jie gali paveikti ir mus, sutrikdydami Žemės elektros tinklus ir pažeisdami palydovus. Bet kiekvienas Saulės ciklas būna vis kitoks, o mes nesuprantame, kas tai lemia, tad neina jų pačių ir jų keliamo poveikio numatyti.

Dabartinis ciklas neįprastai ramus ir buvo vienas iš silpniausių nuo fiksavimo pradžios 1755 m. Ir tai nepaisant didžiulių Saulės audrų, iš kurių paminėtinas kolosalus blyksnis 2012 m., kuris, jei būtų pataikęs į Žemę, nebūtų likęs nepastebėtas.

Vos prieš porą metų buvo prognozuojama, kad šis ciklas bus itin aktyvus, o tai rodo, kaip nedaug suptantame apie Saulės ciklus, sako Toddas Hoeksema, heliofizikas iš Stanfordo universiteto Kalifornijoje. „Tai primena akcijų biržą. Buvę pasiekimai nėra būsimųjų garantija,“ palygina jis.

Maždaug po poros aktyvumo ciklų, arba 22 metų, Saulėje įvyksta kitas kalendorinis pokytis: apsiverčia jos magnetinis laukas. Šiaurė tampa pietumis ir atvirkščiai. Taip elgiasi ir Žemė, bet tik maždaug kas 300 000 metų ar panašiai (mes jau smarkiai vėluojame). Mokslininkai mano, kad Saulės poliariškumas būtent dabar keičiasi, sako Youngas.

„Kodėl tai 11 ir 22 metai, o ne 15 ir 30? Kol kas nežinome. Kai pagalvoji, tai toks trumpas laikas, žinant, kad Saulei jau 4,6 mlrd metų.“

Ji kvėpuoja

Per 11 metų Saulės ciklą kinta jos skleidžiamas Saulės vėjas, rentgeno spinduliuotė, ultravioletinė it matoma šviesa. Tai, savo ruožtu, keičia dydį milžiniško elektringų dalelių magnetinio burbulo, heliosferos, Saulės nupučiamos gerokai toliau už Plutono orbitos.

Šie pokyčiai veikia viską, nuo Žemės klimato ir Voyager 1 zondo, kuris prieš porą metų galiausiai įskriejo į tarpžvaigždinę erdvę.

Grego Koppo, heliofiziko iš Kolorado universiteto Atmosferos ir kosmoso fizikos laboratorijos teigimu, Saulė teikia praktiškai visą Žemės klimatą varančią energiją – 2500 kartų daugiau, nei kartu sudėti visi kiti šaltiniai. Praeitose epochose Saulės ciklai iš dalies lėmė šiltus periodus ir mažuosius ledynmečius. Mažas Saulės aktyvumas lemia šaltas žiemas šiaurinėje Europoje dalyje ir JAV, bei švelnias žiemas Europos pietuose – nors globalus atšilimas reiškia, kad vidutinės pasaulio temperatūros kyla.

Dabar viską geriau suprasti padeda kosminis instrumentas TIM, NASA paleistas 2003. TIM seka Saulės skleidžiamos energijos spektrą ir aptinka subtilius atiduodamos energijos pokyčius, tad mokslininkai gali atskirti žmogaus sukeltus klimato pokyčius ir grynai natūralias priežastis, kurių kontroliuoti negalime.

Tačiau Saulės spinduliavimo pokyčiai veikia ne tik mūsų klimatą. Per Saulės minimumą, Saulės vėjas iš ašigalių srūva daug greičiau, tad iš tarpžvaigždinės erdvės skriejanti materija spaudžiama stipriau. Saulės maksimumo metu jos magnetiniai laukai būna labiau susipynę ir pabėga mažiau Saulės vėjo, taigi, heliosfera susitraukia. „Tai savotiškas 11 metų kvėpavimas,“ sako Hoeksema.

Šio ciklo metu Saulės vėjas buvo 20 – 40 % silpnesnis, nei tikėtasi, sako jis. Šis negilus atsikvėpimas yra viena iš priežasčių, kodėl Voyager 1 paliko heliosferą anksčiau, nei prognozavo mokslininkai.

Ji neigia termodinamiką

Saulės tornadai keisti jau patys savaime, bet jie gali padėti paaiškinti vieną iš nesuprantamiausių Saulės charakteristikų: jos atmosfera karštesnė už paviršių. 5700 kelvinų paviršių sunku būtų pavadinti šaltu, tačiau, bet palyginus su vainiku, jis ledinis. Daugiau nei 1 milijoną kilometrų virš paviršiaus pakilusi aukščiausia Saulės atmosferos dalis gali įkaisti iki kelių milijonų kelvinų.

Paprastai, toldami nuo karščio šaltinio, objektai vėsta; zefyras iškepa greičiau, prikištas arčiau laužo, o ne patrauktas. Bet Saulės atmosfera elgiasi priešingai. Į vainiką turi plūsti ją kaitinanti energija – bet niekas nežino, iš kur ši energija randasi. „Mes iki galo nesuprantame šio reiškinio fizikos,“ sako Scullionas.

Kompiuterinės vizualizacijos gali nupiešti aiškesnį vaizdą – ir ganėtinai menišką. Vienoje simuliacijoje, NASA Goddard astrofizikė Nicholeen Viall nuspalvino duomenis, gautus iš NASA Saulės dinamikos observatorijos (Solar Dynamics Observatory – SDO), stebėjusios Saulės vainiko plazmą 10 skirtingų bangos ilgių, atitinkančių temperatūrą. Rezultatas – sūkuriuojantis filmas, primenantis Van Gogho paveikslą(bit.ly/VanGoghSun). But Viall vizualizacija rodė, kad atmosferos plazma vėso, o ne kaito. Taip gali būti dėl to, kad kaitimas vyksta sparčiau, nei SDO gali aptikti.

Panašu, kad didžioji vainiką kaitinančios energijos dalis ateina iš vadinamojo pereinamojo regiono – ploto tarp Saulės vainiko ir žemesnio atmosferos sluoksnio. Tornadai, lietūs, magnetinės gijos, plazmos sraujymės ir keistas reiškinys, vadinamosios „adatėlės“ („spicules“), manoma, prisideda prie kaitinimo, perneša energiją iš žemesnių Saulės regionų aukštyn. Bet kaip tai vyksta, niekas tiksliai nežino. NASA'os Interface Region Imaging Spectrograph misija stebi šį regioną nuo 2013 m. ir fizikai, kaip Scullionas, naudodami modelius, stengiasi simuliuoti šiuos energijos mainus, tikėdamiesi rasti užuominas, kurių mokslininkai galėtų ieškoti pačioje Saulėje.

Ten patekti sunku

Norint suprasti visas šias Saulės mįsles, reikia kuo arčiau prie jos prisigretinti. Kaip aiškėja dviejų naujų kosminių zondų, skrisiančių arčiau prie Saulės, nei kada nors anksčiau, operatoriams, tiesiog imti ir skristi tiesiai link šviesulio neina.

Solar Orbiter yra Europos kosmoso agentūros misija, kuri bus paleista 2017 m., siekiant prisiartinti prie Saulės per 45 milijonų kilometrų.

Ji pirmą kartą nufotografuos Saulės ašigalius, o tai turėtų padėti mokslininkams suprasti, kaip Saulė kuria savo magnetinį lauką, ir netgi gali suteikti įžvalgų, kodėl jos magnetiniai poliai keičiasi taip dažnai. Žvelgdamas iš arti, zondas taip pat galės pašniukštinėti gryną, dar nepasiekusį Žemės Saulės vėją. Pagrindinis tikslas – suprasti Saulės sąveiką su jos aplinka, sako Timas Horbury'is, Imperinio Londono koledžo fizikas ir vyriausiasis Solar Orbiter'io magnetometro tyrėjas. „Pagrindinė fizika suprantama, bet daug detalių dar neaiškios,“ sako jis.

NASA'os Solar Probe Plus misija turėtų būti paleista 2018 m. ir atsidurti dar arčiau, vos už 6 milijonų kilometrų nuo Saulės paviršiaus. Kad ten nusigautų, zondas suks aplink, kaip matadoras, besiartinantis prie įniršusio buliaus. Lėtai artinamasi iš dalies saugumo sumetimais: zondui artėjant, mokslininkai gali kruopščiai stebėti bet kokią radiacijos ar karščio keliamą grėsmę ir koreguoti veiksmus, jei kas vyktų netinkamai.

Solar Probe Plus septynis kartus apskries apie Venerą kol pasieks norimą trajektoriją ir taip pat įgaus greitį ir postūmį nuskrieti arčiau Saulės – būdamas arčiausiai, zondas pro Saulę skries 200 kilometrų per sekundę greičiu.

Erdvėlaivio uždengimas nuo Saulės spinduliavimo yra viena iš svarbiausių užduočių kosminiuose skrydžiuose, bet ji dar pasunkėja, kai skrendama link šaltinio. Iki šiol nebuvo tai atlikti galinčios technologijos, sako Horbury'is. Abu aparatai turės stambius karščio skydus, saugančius jautrius jų instrumentus nuo tvoskiančio karščio.

Abu zondai stengsis atsakyti į klausimus, tarp kurių ir kaip kaitinama atmosfera ir kaip Saulė kuria savo vėją. Tačiau jie toli gražu neatsakys į viską, ką reikėtų žinoti apie mūsų žvaigždę, sako Youngas. „Problema ta, kad nežinome, ko dar nežinome,“ sako jis.

Rebecca Boyle
New Scientist № 2987

Komentarai (4)