Το παρελθόν και το μέλλον της φυσικής του Ήλιου

Καλλιτεχνική απεικόνιση του Solar Parker Probe να πλησιάζει τον Ήλιο.
NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben – http://parkersolarprobe.jhuapl.edu/Multimedia/Images.php
Τα κενά ανάμεσα στα χρώματα και η σύσταση του Σύμπαντος

του δρ. Γιάννη Κοντογιάννη από το Space Gates

Στις αρχές του 19ου αιώνα, ένας νεαρός Βαυαρός, ο Fraunhoffer προσπαθούσε να κατασκευάσει το καλύτερο γυαλί στον κόσμο και ως ένα βαθμό το κατάφερνε. Τα τηλεσκόπια που είχαν τους φακούς του θα αποκτούσαν σχεδόν μυθική φήμη. Όταν το φως του Ήλιου περνούσε μέσα από τα αψεγάδιαστα γυάλινα πρίσματά του, αποκαλύπτονταν όχι μόνο τα χρώματα της ίριδας αλλά και δεκάδες σκοτεινές κάθετες γραμμές διάσπαρτες ανάμεσα στα χρώματα, τις οποίες αρίθμησε και κατέταξε σύμφωνα με την έντασή τους. Μερικές από αυτές τις γραμμές είχαν ήδη παρατηρηθεί το 1801 από τον Άγγλο χημικό Wollaston, ο οποίος θεώρησε ότι αποτελούν κενά μεταξύ των χρωμάτων. Συγκρίνοντας τις παρατηρήσεις του ηλιακού φωτός με αυτές από άλλα λαμπρά αστέρια του νυχτερινού ουρανού ο Fraunhofer διαπίστωσε ότι η προέλευσή των σκοτεινών γραμμών δεν οφείλονταν στο γυαλί ή στις ιδιότητες των χρωμάτων αλλά στα σώματα από τις οποίες προέρχονταν. Σύντομα μάθαμε ότι οι σκοτεινές αυτές γραμμές προκαλούνταν από την απορρόφηση του φωτός από χημικά στοιχεία, το κάθε ένα από τα οποία είχε τις δικές του χαρακτηριστικές γραμμές απορρόφησης στο φάσμα του ορατού (και όχι μόνο) φωτός.

Τα πρώτα βήματα της αστρικής φασματοσκοπίας και της αστροφυσικής είχαν γίνει. Μέσα σε λιγότερο από ένα αιώνα πραγματοποιήθηκαν τα πρώτα μεγάλης κλίμακας ερευνητικά προγράμματα με σκοπό τη συλλογή των φασμάτων των αστεριών, την κατάταξή τους και την κατανόησή τους. Με την εργασία δεκάδων ανθρώπων ανά την υφήλιο και κυρίως των γυναικών υπολογιστών του Αστεροσκοπείου του Harvard που μελέτησαν, κατέταξαν και ερμήνευσαν εκατοντάδες χιλιάδες φάσματα, μάθαμε στις αρχές του 20ου αιώνα από τι είναι φτιαγμένα τα άστρα και πού βρίσκουν την ενέργειά τους.


Τα άγνωστα φαινόμενα του Ήλιου

Τον 19ο αιώνα ανακαλύψαμε και άλλες κρυφές χάρες του Ήλιου μας. Παρόλο που οι ηλιακές κηλίδες ήταν γνωστές από την αρχαιότητα, το 1859 ο Carrington παρατήρησε για πρώτη φορά με το τηλεσκόπιό του μια απότομη λάμπρυνση σε μια ομάδα κηλίδων. Μέσα σε λιγότερο από μια ημέρα οι αναφορές για θεάσεις πολικού σέλαος έρχονταν ακόμη και από περιοχές κοντά στον Ισημερινό, οι χειριστές των δικτύων τηλέγραφου σε Ευρώπη και ΗΠΑ διαπίστωναν ότι τα δίκτυα υπερφορτώνονταν προκαλώντας σπινθήρες και λειτουργώντας χωρίς να είναι σε σύνδεση με την παροχή ρεύματος, και οι μαγνητογράφοι (όργανα που μετρούν και καταγράφουν το μαγνητικό πεδίο της Γης) έδειχναν τεράστιες διαταραχές. Η ανθρωπότητα βρισκόταν μπροστά σε νέα φαινόμενα, που σχετίζονταν με τον ηλεκτρισμό και το μαγνητισμό, και φαίνονταν να συνδέονται με φαινόμενα στον Ήλιο.

Σχεδόν 50 χρόνια αργότερα, το 1908, ο George Ellery Hale χρησιμοποίησε μια από τις ιδιότητες των γραμμών απορρόφησης που είχε ανακαλυφθεί πρόσφατα: την τάση τους να πλαταίνουν ή να διαχωρίζονται όταν προέρχονται από περιοχές με ισχυρό μαγνητισμό. Μελετώντας τις γραμμές απορρόφησης στο φως των ηλιακών κηλίδων διαπίστωσε ότι διαθέτουν ισχυρό μαγνητικό πεδίο, πρόκειται δηλαδή για μαγνητικά φαινόμενα. Άλλα πενήντα χρόνια αργότερα, ο Eugene Parker περιέγραψε θεωρητικά τον ηλιακό άνεμο, μια μαγνητισμένη συνεχή ροή σωματιδίων από το ηλιακό στέμμα που κυριολεκτικά λούζει κάθε σώμα στο ηλιακό σύστημα.

Μόλις τις τελευταίες δεκαετίες, με τη βοήθεια παρατηρήσεων από διαστημικές αποστολές, διαπιστώσαμε ότι οι εκλάμψεις είναι συχνά μέρος μιας αλυσίδας φαινομένων που περιλαμβάνουν την εκτόξευση υλικού της ηλιακής ατμόσφαιρας στο διάστημα, τις εκτινάξεις στεμματικής μάζας, και την επιτάχυνση σωματιδίων υψηλής ενέργειας. Αυτά μπορούν να προκαλέσουν διαταραχές στο μαγνητικό πεδίο της Γης και να βλάψουν τη διαστημική και επίγεια τεχνολογία μας, με πιθανές επιπτώσεις και στην καθημερινή μας ζωή. Τα φαινόμενα του Ήλιου ήταν κρυμμένα για αιώνες σε κοινή θέα και μας αποκαλύφτηκαν όταν αναπτύξαμε τεχνολογία ευάλωτη σε αυτά.


Κοιτάζοντας την ατμόσφαιρα του Ήλιου

Η θεωρητική δουλειά του Parker από τη δεκαετία του 1950 ως σήμερα έχει διαμορφώσει δραστικά την έρευνα στην ηλιακή και διαστημική φυσική. Ως ένας από τους μεγαλύτερους εν ζωή επιστήμονες, θα πρέπει να είναι πολύ χαρούμενος όχι μόνο για το έργο του αλλά και για το ότι μια συσκευή με το όνομά του πλησιάζει τον Ήλιο όσο καμία άλλη ανθρώπινη συσκευή. Το 2017, ως αναγνώριση της συνεισφοράς του η NASA αποφάσισε να μετονομάσει προς τιμήν του το Solar Probe Plus σε Parker Solar Probe (PSP), δίνοντας για πρώτη φορά σε αποστολή το όνομα ενός εν ζωή επιστήμονα. Το PSP, που εκτοξεύτηκε τον Αύγουστο του 2018, μόλις πριν λίγες ημέρες προσέγγισε τον Ήλιο για έβδομη φορά και εκτελεί πλέον την όγδοη περιφορά του, που θα το φέρει ακόμη πιο κοντά, στα μόλις 11 εκατομμύρια χιλιόμετρα (η Γη βρίσκεται περίπου στα 150), σπάζοντας για ακόμα μια φορά το ίδιο του το ρεκόρ.

Το PSP μεταφέρει όργανα που μελετούν τη σύσταση και τις κινήσεις του πλάσματος του ηλιακού ανέμου και του στέμματος, το ηλεκτρικό και το μαγνητικό τους πεδίο ενώ διαθέτει και δυο οπτικά τηλεσκόπια με τα οποία απεικονίζεται το ηλιακό στέμμα και ο ηλιακός άνεμος καθώς επιταχύνεται προς το διάστημα.

Το PSP όμως, δεν είναι μόνο του σε αυτό το ταξίδι. Τον Φεβρουάριο του 2020 η ευρωπαϊκή υπηρεσία διαστήματος (ESA), σε συνεργασία με τη NASA, εκτόξευσε με επιτυχία την πολυαναμενόμενη αποστολή Solar Orbiter, που σχεδιαζόταν για δεκαετίες. Αν και το Solar Orbiter δεν θα πλησιάσει τον Ήλιο όσο το PSP, παρόλα αυτά μεταφέρει μια εντυπωσιακή ποικιλία οργάνων, συνδυάζοντας κάποιες από τις δυνατότητες του PSP με αυτές ενός φορητού αστεροσκοπείου. Σε συνδυασμό με τα όργανα μέτρησης των σωματιδίων του ηλιακού ανέμου, το Solar Orbiter διαθέτει και όργανα απεικόνισης του ηλιακού δίσκου. Αυτά θα μας προσφέρουν υψηλής ανάλυσης εικόνες του Ήλιου, από την κοντινότερη απόσταση που θα έχει πλησιάσει ποτέ τηλεσκόπιο. Οι πρώτες δοκιμαστικές εικόνες δόθηκαν στη δημοσιότητα τον Ιούλιο του 2020 και η λεπτομέρεια των φαινομένων που απεικόνιζαν ήταν συγκλονιστική.

Οι δυο διαστημικές αποστολές που αναφέρθηκαν δεν είναι οι μόνες που παρατηρούν τον Ήλιο. Εδώ μια δεκαετία, το Solar Dynamics Observatory (δλδ παρατηρητήριο της δυναμικής του Ήλιου) μας προσφέρει σχεδόν αδιάκοπα εικόνες της ηλιακής ατμόσφαιρας και του μαγνητικού πεδίου. Με τις παρατηρήσεις αυτές ο βαθμός κατανόησής μας των ηλιακών φαινομένων έχει αυξηθεί δραματικά.

Ταυτόχρονα μπαίνουμε σε μια εποχή επίγειων ηλιακών παρατηρητηρίων νέας γένιας, τα οποία χαρακτηρίζονται από μεγάλης διαμέτρου τηλεσκόπια και όργανα ανάλυσης του φωτός υψηλής ακρίβειας. Όπως αφήσαμε να εννοηθεί στις πρώτες παραγράφους, το φως του Ήλιου και η απορρόφησή του από τα στρώματα της ηλιακής ατμόσφαιρας που διασχίζει πριν φτάσει σε εμάς, κρύβει έναν πλούτο πληροφοριών για τις διαδικασίες που συμβαίνουν σε αυτά. Εμβαθύνοντας στη φυσική που περιγράφει την αλληλεπίδραση μεταξύ φωτός και ύλης και αναπτύσσοντας ολοένα πιο ακριβή όργανα μας δίνει πρόσβαση σε περισσότερες πληροφορίες για τα δυναμικά φαινόμενα που παρατηρούμε. Αυτές ακριβώς τις τελευταίες εξελίξεις στην οργανολογία (την ανάπτυξη οργάνων και τεχνικών παρατήρησης) και ανάλυση των παρατηρήσεων θα αξιοποιούν τα νέα τηλεσκόπια. Tο 4-μέτρων DKIST (Daniel K. Inouye Solar Telescope), το μεγαλύτερο ηλιακό τηλεσκόπιο στον κόσμο, μόλις ξεκίνησε τη λειτουργία του στη Χαβάη, και το αναμενόμενο ευρωπαϊκό EST (European Solar Telescope) βρίσκεται στη φάση του σχεδιασμού. Τα τηλεσκόπια αυτά θα συνεχίσουν την παράδοση των ηλιακών τηλεσκοπίων της περιόδου 2000-2020, όπως τα SST (Swedish Solar Telescope), GREGOR και GST (Goode Solar Telescope), τα οποία παρατηρούν τον Ήλιο με λεπτομέρεια που οι παλαιότερες γενιές ηλιακών φυσικών μπορούσαν μόνο να φαντάζονται.

Ποια είναι όμως τα μεγάλα ερωτήματα στη μελέτη του Ήλιου;

Θα μπορούσε κανείς να κατατάξει τα επιμέρους ερωτήματα που απασχολούν την έρευνα στην ηλιακή φυσική σε δύο μεγάλες κατηγορίες. Η μια από αυτές αφορά τον τρόπο με τον οποίο μεταδίδεται η ενέργεια από το εσωτερικό του Ήλιου στην εξωτερική του ατμόσφαιρα. Η ενέργεια του Ήλιου παράγεται στον πυρήνα του από θερμοπυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης, όπως και στα υπόλοιπα αστέρια. Η ενέργεια αυτή τελικά ακτινοβολείται από την ορατή του επιφάνεια, τη φωτόσφαιρα. Ενώ θα περίμενε κανείς η θερμοκρασία της ατμόσφαιρας του Ήλιου να μειώνεται καθώς απομακρυνόμαστε από τη φωτόσφαιρα (θερμοκρασία κοντά στους 6000C), παρατηρούμε ότι από ένα ύψος μερικών εκατοντάδων χιλιομέτρων αρχικά η θερμοκρασία αυξάνεται σταδιακά ενώ εκτοξεύεται στα μερικά εκατομμύρια βαθμούς στο στέμμα του. Αυτό σημαίνει ότι θα πρέπει να υπάρχει άλλος ένας τρόπος που τροφοδοτεί με ενέργεια αυτά τα στρώματα, πέραν της ακτινοβολίας. Πιστεύουμε ότι το μαγνητικό πεδίο παίζει κάποιο ουσιαστικό ρόλο σε αυτούς τους μηχανισμούς, είτε κατευθύνοντας διάφορα είδη κυμάτων, τα οποία διοχετεύουν την ενέργειά τους στο στέμμα ή με φαινόμενα επανασύνδεσης του μαγνητικού πεδίου, δηλαδή φαινόμενα διάχυσης και επαναδιάταξης των μαγνητικών σχηματισμών που έχουν ως αποτέλεσμα την έκλυση ενέργειας. Το ερώτημα της θέρμανσης του στέμματος είναι ίσως το σημαντικότερο ερώτημα στην ηλιακή φυσική και ενώ έχουν προταθεί πολλοί υποψήφιοι μηχανισμοί, πολλές σημαντικές λεπτομέρειες μας είναι ακόμα άγνωστες.

Το δεύτερο μεγάλο πεδίο έρευνας αφορά τα μεγάλης κλίμακας εκρηκτικά φαινόμενα όπως οι εκλάμψεις και οι εκτινάξεις στεμματικής μάζας. Τα φαινόμενα αυτά παρατηρούνται κυρίως στους μεγάλης κλίμακας μαγνητικούς σχηματισμούς που αποτελούν τις ηλιακές κηλίδες και περιλαμβάνουν τη μετατροπή τεράστιων ποσών μαγνητικής ενέργειας σε ακτινοβολία και επιτάχυνση σωματιδίων. Η κατανόηση των μηχανισμών που προκαλούν αυτές τις εκρήξεις έχει θεμελιώδη σημασία τόσο για την κατανόηση του αστεριού της γειτονιάς μας όσο και για τη δυνατότητά μας να προβλέψουμε αυτά τα φαινόμενα και να προστατεύσουμε τον τεχνολογικό μας πολιτισμό από τις επιπτώσεις τους.

Η κατάταξη των ερωτημάτων της ηλιακής φυσικής σε αυτές τις δυο κατηγορίες δεν έχει, φυσικά, ως στόχο να μειώσει τη σημασία των επιμέρους ερωτημάτων. Ακόμα και εκτός του πλαισίου των δυο κεντρικών αξόνων που αναφέρθηκαν, η κατανόηση των μικρών ή μεγάλων φαινομένων του Ήλιου μάς δίνει τη δυνατότητα να γνωρίσουμε καλύτερα πώς λειτουργεί ένα αστέρι και πώς εκφράζονται οι φυσικοί νόμοι στην πράξη. Επιπλέον, πολλά από αυτά τα ερωτήματα δεν τίθενται μεμονωμένα αλλά σε ένα πλαίσιο κατανόησης των φαινομένων που παρατηρούμε και σε άλλα αστέρια. Για αυτό το λόγο συχνά περιγράφουμε τον Ήλιο ως ένα αστροφυσικό εργαστήρι στη γειτονιά μας. Με την ανάπτυξη καλύτερων οργάνων παρατήρησης και τη χρήση νέας γενιάς τηλεσκοπίων και διαστημικών αποστολών, το εργαστήρι αυτό έρχεται συνεχώς πιο κοντά μας.

Γιάννης Κοντογιάννης

Φυσικός, Διδάκτωρ Αστροφυσικής

Μεταδιδακτορικός Ερευνητής Leibniz-Institute for Astrophysics Potsdam (AIP)

Πηγές και περαιτέρω μελέτη:

Stuart Clark, “The Sun Kings”, 2007, Princeton University Press

Peter V. Foukal, “Solar Astrophysics”, Second, Revised Edition, 2004, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA

Dava Sobel, “The Glass Universe”, 2017, Harper Collins Publisher

https://spacegates.wordpress.com/2021/06/12/%cf%84%ce%bf-%cf%80%ce%b1%cf%81%ce%b5%ce%bb%ce%b8%cf%8c%ce%bd-%ce%ba%ce%b1%ce%b9-%cf%84%ce%bf-%ce%bc%ce%ad%ce%bb%ce%bb%ce%bf%ce%bd-%cf%84%ce%b7%cf%82-%cf%86%cf%85%cf%83%ce%b9%ce%ba%ce%ae%cf%82-%cf%84/

και ο καθηγητής του ΑΠΘ Χάρης Βάρβογλης συμπληρώνει την ανάρτηση

Λίγη προ-ιστορία. 

Ο Νεύτωνας είχε διαπιστώσει ότι το ηλιακό φως αποτελείται από διάφορα χρώματα και ότι ένας απλός φακός λειτουργεί σαν πρίσμα και αναλύει το φως στα χρώματα αυτά. Συμπέρανε λοιπόν ότι δεν ήταν δυνατόν να κατασκευαστεί διαθλαστικό τηλεσκόπιο χωρίς "χρωματικό σφάλμα", δηλαδή δημιουργία μετατοπισμένων ειδώλων για κάθε χρώμα. Γι' αυτό τον λόγο θεώρησε ότι η λύση για την παρατήρηση ειδώλων με σαφές περίγραμμα ήταν η χρήση κατοπτρικών τηλεσκοπίων.

Ο Fraunhofer θέλησε να λύσει αυτό το πρόβλημα των απλών φακών με έναν άλλο τρόπο, συγκεκριμένα με την κατασκευή σύνθετων φακών που θα ήταν "αχρωματικοί". Ένας τέτοιος φακός είναι φτιαγμένος από δύο η περισσότερους απλούς φακούς, φτιαγμένους ο καθένας από γυαλί με διαφορετικό δείκτη διάθλασης, έτσι ώστε τελικά να "διορθώνεται" το χρωματικό σφάλμα. Για να μετρήση τον δείκτη διάθλασης κάθε είδους γυαλί χρειαζόταν μια "πηγή αναφοράς", που να εκπέμπει συγκεκριμένα χρώματα (σήμερα θα λέγαμε συγκεκριμένες συχνότητες). 

Ως τέτοια πηγή διάλεξε τελικά τον Ήλιο, οι σκοτεινές γραμμές στο φάσμα του οποίου ήταν "σταθερές". Έφτιαξε λοιπόν έναν κατάλογο αυτών των γραμμών για να μετράει τον δείκτη διάθλασης των γυαλιών που κατασκεύαζε. Τα υπόλοιπα είναι ιστορία.