Największy teleskop słoneczny świata wreszcie złapał plazmę Słońca na robieniu tego, co fizyka przewidziała w 1869 roku

Oto fizyczna sztuczka na imprezę: przesuń dwie ciecze obok siebie z różnymi prędkościami, a granica między nimi wygnie się, zwinie i utworzy zgrabne wiry. To niestabilność Kelvina-Helmholtza, zjawisko wyjaśnione pod koniec lat 60. XIX wieku, i to dlatego wiatr marszczy wodę, a chmury ścinają się w faliste pasma. Przez dziesięciolecia naukowcy podejrzewali, że plazma Słońca robi to samo, ale nikt nie mógł tego udowodnić. Teraz zespół kierowany przez Davida Kuridze i Friedricha Wögera z Narodowego Obserwatorium Słonecznego nie tylko to potwierdził - twierdzą, że te wiry są wszędzie na powierzchni Słońca. A to może zmienić nasze myślenie o tym, jak ciepło, masa i energia magnetyczna przemieszczają się przez atmosferę Słońca.

Powód, dla którego te plazmowe wiry pozostawały ukryte tak długo, jest żenująco prosty: są maleńkie. Mniejsze niż to, co może rozróżnić jakikolwiek teleskop z lustrem poniżej 2 metrów. Przez większość historii fizyki słonecznej to wykluczało wszystkie teleskopy na Ziemi. Wejdźcie do Teleskopu Słonecznego Daniela K. Inouye, 4-metrowego kolosa na Hawajach i największego teleskopu słonecznego na planecie, który rozpoczął działalność w listopadzie 2021 roku.

14 kwietnia 2025 roku zespół Kuridze skierował go na aktywny region w pobliżu centrum tarczy słonecznej, rejestrując obrazy przy 416 nanometrach za pomocą kamery diagnostycznej zbudowanej przez Narodowe Obserwatorium Słoneczne i Instytut Maxa Plancka ds. Badań Układu Słonecznego. Ich cel był skromny: „osiągnąć wydajność ograniczoną dyfrakcją” – powiedział Kuridze. Nie polowali na wiry – chcieli tylko przesunąć rozdzielczość teleskopu. Im krótsza długość fali, tym drobniejszy szczegół, więc wybrali 416 nanometrów, „w kierunku mniejszej części widma widzialnego”.

To, co dostali, było bonusem ponad fajny test. Kamera robiła 740 klatek na sekundę z czasami ekspozycji 100 mikrosekund. Dwa tysiące klatek połączono przy użyciu wieloklatkowej ślepej dekonwolucji, aby usunąć rozmycie atmosferyczne, tworząc film z klatką co dwie sekundy i rozdzielczością około 19 kilometrów – teoretyczną granicą dla 4-metrowego lustra przy tej długości fali.

„Jako produkt uboczny otrzymaliśmy te niesamowite obserwacje, które pozwoliły nam zobaczyć coś, czego nigdy wcześniej nie widziano” – powiedział Kuridze. Przy 416 nanometrach powierzchnia Słońca pokazuje granulację – komórki konwekcyjne przenoszące ciepło z wnętrza – przeplataną intensywnymi wiązkami pola magnetycznego. Na obrazach o niższej rozdzielczości granice między tymi regionami magnetycznymi a otaczającą granulacją wyglądają gładko i rozmyto. W danych DKIST są one chaosem struktur wirowych i drobnych ciemnych smug.

Zespół zidentyfikował 47 granic z wirami, z sąsiednimi zawinięciami oddalonymi o 60–100 kilometrów. Poszczególne wiry miały średnicę od 25 do 170 kilometrów, a najmniejsze znajdowały się dokładnie na granicy rozdzielczości 19 kilometrów – więc nie wiemy, jak małe mogą być. Mogły podwajać rozmiar w mniej niż minutę i przemieszczały się wzdłuż granic z prędkością 0,67–3 kilometrów na sekundę.

Gdybyś unosił się nad jedną z tych granic, mówi Kuridze, widok zależy od czasu. Najpierw przychodzi faza liniowa: „bardziej zrelaksowana, bardzo dobrze zorganizowana, regularna i piękna”, z falującymi, chmurowymi strukturami. Potem nadchodzi faza nieliniowa: „bardzo chaotyczna turbulencja”.

Dlaczego zawinięcia tworzą się na tych granicach? Chodzi o kierunek pola magnetycznego. Linie pola magnetycznego działają jak elastyczne nici przez plazmę, stawiając opór zginaniu. Gdy leżą wzdłuż przepływu, tłumią niestabilność. Gdy biegną w poprzek, nie robią nic. W silnych regionach magnetycznych obserwowanych przez DKIST pole wskazuje prosto w górę, podczas gdy przepływy granulacyjne poruszają się na boki – nici są nawleczone w złym kierunku, więc wiry rosną bez przeszkód.

Ale zobaczenie czegoś, czego nikt wcześniej nie widział, to nie wszystko. „Wszystko wyglądało, jakby powinno być Kelvina-Helmholtza, ale oczywiście to nie wystarczy” – powiedział Kuridze. Przeprowadzili więc symulacje komputerowe fragmentu fotosfery o boku około 6 megametrów z siatką co 3,2 kilometra, zasiane rzeczywistymi danymi.