Kozmik toz, güneş korona ısınmasının uzun süredir devam eden gizemini çözmede kilit rol oynayabilir

Alabama Üniversitesi Sisteminin bir parçası olan Huntsville’deki Alabama Üniversitesi’nden (UAH) bir araştırmacı, Astrofizik Dergisi Güneş yakınındaki küçük yüklü toz taneciklerinin, enerjinin güneşin dış atmosferi olan güneş koronasında nasıl hareket ettiğini önemli ölçüde etkileyebileceğini öne sürüyor. Keşif potansiyel olarak bilim adamlarının koronanın neden güneşin yüzeyinden milyonlarca derece daha sıcak olduğunu nasıl anladıklarını yeniden yazıyor.

NASA’nın Parker Solar Probe’undan (PSP) elde edilen veriler kullanılarak gerçekleştirilen çalışma, uzun süredir güneşe bu kadar yakın olduğu için büyük ölçüde ilgisiz olduğu varsayılan tozun, enerjiyi uzayda taşıyan önemli plazma dalgalarının davranışını değiştirebileceğini gösteriyor. Toz, bu dalgaların hareket etme ve enerjiyi dağıtma şeklini değiştirerek koronada ve genç güneş rüzgârında güneş enerjisinin nerede ve nasıl oluştuğunu belirlemeye yardımcı olabilir.

Araştırmanın baş yazarı Syed Ayaz, UAH Uzay Plazma ve Aeronomik Araştırma Merkezi’nde (CSPAR) lisansüstü araştırma asistanıdır.

UAH’da seçkin uzay bilimi profesörü ve CSPAR direktörü Dr. Gary Zank, “Parker Solar Probe tarafından genç güneş rüzgarındaki tozun keşfedilmesi, Syed’in güneş fiziğinde tamamen yeni ve beklenmedik bir çalışma alanı açmasına olanak sağladı” diyor.

“Bu çok heyecan verici ve Syed, tozun varlığının, güneş koronasının bir milyon dereceden fazla ısıtılmasına ilişkin uzun süredir devam eden ve açık soruna bakış açımızı değiştirebileceğini çok çabuk fark etti. Ön çalışmasında elde ettiği sonuçlar, halihazırda şaşırtıcı yeni bir paradigmanın ortaya çıkabileceğini gösteriyor. Syed, güneş koronasının fiziğinin anlaşılması üzerinde önemli bir etkiye sahip olacak olağanüstü bir çalışma yaptı.”

Güneş koronası, uzaya milyonlarca kilometre uzanan ve yalnızca yaklaşık 5.500°C’ye (9.900°F) ulaşan güneşin yüzeyinden veya fotosferinden çok daha sıcak olan, son derece sıcak, ince plazmadan oluşan devasa bir bölgedir; korona ise 1-3 milyon°C veya daha fazlasına ulaşabilir.

Ayaz, “Güneşin korona sıcaklığının yüksek olması, heliofizikte çözülmemiş en büyük sorunlardan biri olmaya devam ediyor” diye açıklıyor. “On yıllardır araştırmacılar esas olarak elektronların, iyonların, manyetik alanların ve plazma dalgalarının güneş atmosferinde enerjiyi nasıl taşıdıkları ve dağıttıkları üzerine odaklandılar. Kinetik Alfvén dalgaları özellikle önemlidir çünkü elektromanyetik enerjiyi korona boyunca taşıyabilir ve bu enerjiyi parçacıklara aktararak plazmanın ısınmasına ve hızlanmasına yardımcı olabilirler.”

Yeni çalışmayı diğerlerinden ayıran şey, geleneksel olarak güneşe yakın ortamı yalnızca elektron, iyon ve manyetik alanların bir karışımı olarak ele alan modellere toz taneciklerinin dahil edilmesidir.

Ayaz, “Çalışmamız bu tabloya yeni bir içerik ekliyor: toz tanecikleri” diyor. “Parker Solar Probe’dan önce, toz genellikle koronal ısıtma modellerinin aktif bir parçası olarak görülmüyordu çünkü elektronlardan/iyonlardan milyon kat daha büyük olan toz taneciklerinin güneş koronasının yüksek sıcaklığına dayanması beklenmiyordu.”

Bunun yerine, PSP’den gelen veriler beklenmedik bir şeyi ortaya çıkardı: Güneş’e daha önce düşünülenden çok daha yakın olan toz hala mevcut ve aktif.

Ayaz, “Beni en çok şaşırtan şey, PSP’nin, üzerinde özel bir toz dedektörü taşımamasına rağmen toz hakkında bu kadar çok şeyi açığa çıkarabilmesiydi” diye belirtiyor. “Küçük toz tanecikleri uzay aracına yüksek hızda çarptığında buharlaşır ve yüklü parçacıklardan oluşan küçük bulutlar üretir. Bu etkiler FIELDS antenlerinde keskin voltaj yükselmeleri olarak görünür ve tüm uzay aracının aslında bir toz dedektörü gibi hareket etmesine olanak tanır.”

Kozmik bir tozun kaydedilmesi

FIELDS cihazı, güneş koronası ve güneş rüzgarındaki elektrik alanlarını, manyetik alanları, plazma dalgalarını ve radyo emisyonlarını ölçen bir cihaz paketidir. Bu ölçümler, tozun yalnızca iç heliosferde hayatta kalmayıp aynı zamanda plazma süreçleriyle ölçülebilir yollarla etkileşime girdiğini göstermektedir.

Ayaz, “Bu, güneş fiziği açısından önemli çünkü yüklü toz tanecikleri sadece pasif parçacıklar değil” diyor. “Toz tanecikleri, foto emisyon ve plazma toplama gibi süreçler yoluyla elektrik yükü kazandığında, elektrik ve manyetik alanlarla etkileşime giriyor, plazma dalgalarını etkiliyor ve enerjinin nasıl taşındığını ve dağıldığını değiştiriyor.”

Çalışmanın temel bulgusu, tozun, uzay plazmasındaki önemli enerji taşıyıcıları olan kinetik Alfvén dalgalarını, toz kütlesinin mi yoksa toz yükünün mi baskın olduğuna bağlı olarak birbiriyle yarışan iki şekilde etkilemesidir.

Ayaz, “Çalışmamız, enerjinin güneş atmosferinde hareket etme biçiminde tozun iki farklı rol oynadığını gösteriyor” diyor. “Toz kütlesi, plazmada ilave bir atalet gibi davranır. Bu, kinetik Alfvén dalgalarını yavaşlatma eğilimindedir ve enerjilerinin dağılmadan önce daha büyük mesafelere taşınmasına olanak tanır. Öte yandan toz yükü, dalga, elektrik alanı ve yüklü parçacıklar arasındaki etkileşimi güçlendirir.”

Bu karşıt etkiler, güneş enerjisinin nerede depolandığını belirleyebilir. Ayaz, “Eğer toz kütlesi hakim olursa, dalga enerjisi koronaya veya genç güneş rüzgârına doğru daha uzağa gidebilir” diyor. “Eğer toz yükü etkileri baskınsa, enerji parçacık ısınması olarak daha yerel olarak serbest bırakılabilir.”

Bulgular, güneş fiziği modellerinde, genellikle koronal ısınmanın dinamik bir katılımcısı olarak tozun hariç tutulduğu uzun süredir devam eden varsayımlara meydan okuyor.

Ayaz, “Güneş enerjisiyle ısıtma ve parçacık hızlandırma modellerinin çoğu, güneşe yakın ortamı esas olarak elektronlardan, iyonlardan ve manyetik alanlardan oluşan bir plazma olarak ele alıyor” diyor. “Bu bileşenler hala gerekli, ancak araştırmamız yüklü toz taneciklerinin de bu bölgedeki fiziği etkilediğini gösteriyor.”

Ayrıca çalışma, güneşe yakın ortamın yapısı ve enerjinin burada nasıl taşındığı hakkında daha geniş soruları gündeme getiriyor.

Ayaz, “En heyecan verici sorulardan biri, Güneş yakınındaki tozun yalnızca iç heliosferik ortamın bir izleyicisi mi olduğu, yoksa aslında koronal ısınma ve güneş-rüzgar ivmesi fiziğinde aktif bir bileşen olup olmadığıdır” diyor. “PSP, güneşe yakın toz ortamının beklenenden daha şaşırtıcı ve değişken olduğunu zaten gösterdi. Gelecekteki PSP gözlemleri özellikle önemlidir, çünkü her daha yakın karşılaşma bize daha önce hiç bu şekilde örneklenmemiş bir bölgeye daha iyi bir bakış sağlıyor.”

UAH Uzay Bilimleri Bölümü’nde yardımcı doçent olan Dr. Lingling Zhao, “Lisansüstü araştırmacılarımızdan yenilikçi fikirlerin ortaya çıktığını görmek heyecan verici” diyor. “Bu çalışma, yeni bakış açılarının ve yeni gözlemlerin beklenmedik keşiflere nasıl yol açabileceğini vurguluyor.”

Ayaz ileriye baktığında, koronal ısınma probleminin çözümünde tozun eksik bir parça olup olmadığının belirlenmesine yardımcı olabilecek özel toz ve plazma enstrümanlarıyla gelecekteki görevleri öngörüyor.

Ayaz sözlerini şöyle bitiriyor: “Parker’ın ötesindeki görevler, özellikle de özel toz dedektörleri ve çoklu uzay aracı plazma dalgası ölçümleri içeren görevler daha da ileri gidebilir.” “Daha büyük soru büyüleyici: Toz güneşe yakın ortamdan mı geçiyor yoksa elektromanyetik enerjinin nasıl ısıya ve güneş-rüzgar hareketine dönüştüğünü şekillendirmeye mi yardımcı oluyor?”