Od wieków ludzkość obserwuje rytmiczne zmiany zachodzące na tarczy naszej najbliższej gwiazdy. Co 11 lat pole magnetyczne Słońca ulega całkowitemu odwróceniu, a procesowi temu towarzyszy pojawianie się plam słonecznych – ciemniejszych, chłodniejszych obszarów o gigantycznym natężeniu magnetycznym. Choć astronomowie od dawna potrafili śledzić te zjawiska na powierzchni, miejsce, w którym bierze początek ten potężny cykl, pozostawało jedną z największych zagadek astrofizyki. Najnowsze badania przeprowadzone przez fizyków z New Jersey Institute of Technology (NJIT) przynoszą jednak przełom. Dzięki analizie danych gromadzonych przez niemal trzy dekady, naukowcy zlokalizowali „silnik magnetyczny” Słońca głęboko w jego wnętrzu – około 200 000 kilometrów pod widoczną powierzchnią.
Odkrycie to, opublikowane na łamach prestiżowego czasopisma Scientific Reports, rzuca nowe światło na mechanizm znany jako dynamo słoneczne. Badacze precyzyjnie wskazali, że źródło aktywności magnetycznej znajduje się na głębokości odpowiadającej mniej więcej 16 Ziemiom ułożonym jedna za drugą. To właśnie tam, w ukrytych przed bezpośrednią obserwacją warstwach plazmy, formują się siły kształtujące pogodę kosmiczną, która ma bezpośredni wpływ na funkcjonowanie naszej cywilizacji.
Kluczowym elementem odkrycia jest zidentyfikowanie roli warstwy granicznej zwanej tachokliną. Jest to niezwykle istotny obszar oddzielający burzliwą, zewnętrzną strefę konwekcyjną Słońca, gdzie gorąca plazma nieustannie kipi i unosi się ku górze, od stabilnego wnętrza radiacyjnego. To właśnie w tachoklinie dochodzi do gwałtownych zmian prędkości rotacji gwiazdy, co generuje potężne siły ścinające. To one, niczym gigantyczna prądnica, napędzają pole magnetyczne Słońca.
Heliosejsmologia
Jak naukowcy zdołali zajrzeć tak głęboko wewnątrz gwiazdy, przez którą nie przenika światło? Wykorzystano do tego heliosejsmologię – dziedzinę nauki badającą fale dźwiękowe rozchodzące się wewnątrz Słońca. Podobnie jak geolodzy badają trzęsienia ziemi, by poznać strukturę wnętrza naszej planety, astrofizycy analizują drgania słonecznej plazmy wywołane przez jej burzliwe ruchy.
Zespół pod kierownictwem profesora Krishnendu Mandala przeanalizował miliardy pomiarów zebranych w ciągu ostatnich 30 lat. Dane pochodziły z trzech kluczowych źródeł: satelity SOHO (Solar and Heliospheric Observatory), obserwatorium SDO (Solar Dynamics Observatory) oraz naziemnej sieci GONG (Global Oscillation Network Group). Instrumenty te rejestrują wibracje Słońca co 45–60 sekund, tworząc najdokładniejszy w historii zapis „wewnętrznego tętna” gwiazdy. Dzięki tak długiemu okresowi obserwacji, obejmującemu niemal trzy pełne cykle słoneczne, naukowcy po raz pierwszy dostrzegli wyraźne wzorce przepływów plazmy, które układają się w charakterystyczny kształt motyla – identyczny z tym, który tworzą migrujące plamy na powierzchni.
Dlaczego lokalizacja dynama ma znaczenie dla Ziemi?
Zrozumienie, gdzie dokładnie powstaje pole magnetyczne, nie jest jedynie teoretycznym sukcesem fizyków. Ma ono fundamentalne znaczenie praktyczne. Plamy słoneczne są bowiem „widzialnymi odciskami stóp” pól magnetycznych, które odpowiadają za najbardziej gwałtowne zjawiska w Układzie Słonecznym, takie jak rozbłyski i koronalne wyrzuty masy (CME). Te z kolei decydują o pogodzie kosmicznej.
Potężne burze geomagnetyczne wywołane aktywnością Słońca mogą uszkadzać satelity telekomunikacyjne, zakłócać systemy nawigacji GPS, przerywać łączność radiową, a nawet doprowadzać do awarii sieci energetycznych na masową skalę. „Chociaż nasze odkrycia nie pozwalają jeszcze na precyzyjne prognozowanie przyszłych cykli, podkreślają one konieczność uwzględnienia tachokliny w modelach predykcyjnych” – zauważa prof. Mandal. Wiele obecnych symulacji bierze pod uwagę jedynie procesy zachodzące blisko powierzchni, co – jak udowodniły badania NJIT – jest podejściem niewystarczającym.
Spojrzenie w przyszłość i poza Układ Słoneczny
Odkrycie mechanizmu działania słonecznego dynama ma również implikacje wykraczające poza nasze bezpośrednie sąsiedztwo. Wiele gwiazd w naszej galaktyce wykazuje cykle magnetyczne podobne do słonecznego, jednak ze względu na ich ogromne odległości, nie jesteśmy w stanie uzyskać tak szczegółowych danych sejsmicznych. Słońce służy więc jako swoiste laboratorium, pozwalające zrozumieć fizykę gwiazd w całym kosmosie.
Zespół z Centrum Heliofizyki Obliczeniowej NJIT, kierowany przez profesora Alexandra Kosovicheva, planuje teraz rozszerzyć swoje analizy i symulacje numeryczne. Celem jest jeszcze dokładniejsze prześledzenie ewolucji magnetyzmu w miarę upływu kolejnych lat. W miarę jak gromadzimy coraz więcej danych z kolejnych cykli słonecznych, zbliżamy się do momentu, w którym prognozowanie „kosmicznych burz” stanie się tak samo skuteczne, jak ziemskie prognozy pogody, co pozwoli nam lepiej chronić naszą technologiczną infrastrukturę.