Hasonlóságok az alligátorok párzási hívása és a Nap égi tánca között
A sugárszerű anyagkilövellés (jet) rendkívül gyakori a természetben. Egyik vizuálisan legtetszetősebb példája a hím alligátorok párzási viselkedése során jelenik meg: amikor az aligátor épphogy a vízfelszín alá meríti nyakát, mély, basszus tartománybeli frekvenciákon hangos morgást hallat, aminek hatására vízsugarak kezdenek gyönyörű táncba a tó felszínén. A jelenségért felelős fizikai mechanizmus a Faraday-gerjesztés, amelyet először 1831-ben Michael Faraday angol fizikus demonstrált sekély folyadékban egy rugalmas membrán segítségével. Tőlünk 150 millió km-re központi csillagunk, a Nap felszínén szintén megfigyelhető hasonló anyagkilövellés az anyag negyedik halmazállapotaként is emlegetett szuperforró plazmában. A szoláris szpikulákat régóta vizsgálják a tudósok, de keletkezésüket – a szerelmes hím alligátorok násztánca által keltett sugárkilövellésekkel ellentétben – még nem sikerült teljes mértékben megmagyarázni. A témában írt korábbi cikkünk itt olvasható.
Magyar, indiai és brit tudósok egy csoportja azonban nemrég különösen izgalmas kísérletet végzett a rejtély felderítésére. A csillagászok polimerfizikusokat hívtak segítségül, hogy laboratóriumi körülmények között vizsgálhassák a jelenséget. Egy elfektetett, bekapcsolt hangszóróra folyadékoldatot öntöttek, amely a rezgés hatására függőleges jeteket lövellt ki. A polimerfolyadékok speciális tulajdonsága, hogy alkotóelemeik összekapcsolódnak egy kitüntetett irányban – éppen úgy, mint ahogy a Nap plazmáját alkotó elemek is sugarakba rendeződnek a mágneses tér mentén. A hangszóróra azért volt szükség, mert a tudósok így tudták szimulálni a Nap felszínre merőleges rezgését (a globális szoláris oszcillációt).
A kísérlettel a Piyali Chatterjee (Indiai Asztrofizikai Intézet / Bengaluru) és Erdélyi Róbert (ELTE Csillagászati Tanszék / Sheffieldi Egyetem) által vezetett nemzetközi tudóscsoport első ízben bizonyította, hogy
a napszpikulák keletkezését és nagy számát egy régről ismert, egyszerű mechanizmus, a konvekció okozhatja.
A mechanizmus – ahhoz hasonlóan, ahogy melegítés közben az edényben forr a víz – nagyjából periodikus, igen erős lökéseket gyakorol a plazmára a napfelszín (a fotoszféra) fölött elhelyezkedő vékony rétegben, vagyis a kromoszférában. (Alkalmas eszköz nélkül ezért sose nézzünk a Napba!) A kromoszféra anyaga kb. 500-szor könnyebb, mint a fotoszféráé, ami azt jelenti, hogy ezek a konvekciós mozgás által generált, alulról érkező erős lökések a kromoszférikus plazmát hosszúkás, 300–1000 km széles és 5000–30000 km magas, henger alakú jetek formájában lövik ki.
A Nap atmoszférájában sok, különféle magasságú és sebességű szpikulát látnak a tudósok, és éppen ez a sokféleség nehezíti a kialakulásuk megértését. A polimerfolyadék-kísérlettel azonban a kutatócsoportnak sikerült azt is megmutatnia, hogy a Nap konvekciója önmagában is sokféle különböző anyagkiáramlást képes kialakítani. Amikor ugyanis kilövellés közben a konvekcó által gerjesztett hullámok amplitúdója túlságosan megnő, nemlinearis hullámtörés keletkezik. Ezt a jelenséget máshol is megfigyelhetjük, például az óceánok nagy hullámmozgásaiban vagy a galaxisok spirálkarjaiban.
“A kutatás során közvetlen bizonyítékot kerestünk arra, hogyan lehet jelen mintegy 3 millió szpikula egyszerre a Nap felszínén, és a polimer folyadékok fizikájába nyújtott egyedi bepillantás valóban alapvető felfedezést tett lehetővé – mondja Erdélyi Róbert csillagászprofesszor. – A közös munka során rengeteget tanultunk egymástól. Nemcsak Piyali Chatterjee polimer folyadékokat kutató csapatától, hanem a pályafutásuk elején járó fiataloktól, Sahel Dey PhD-hallgatótól, valamint Korsós B. Marianna, Jiajia Liu és Chris Nelson posztdoktori kutatóktól is."
„Örülök, hogy fiatal kutatóként része lehettem az együttműködésnek, és láthattam, ahogy két, látszólag különböző kutatási terület együttes erővel egyszerű magyarázatot talál egy régóta nyitott tudományos kérdésre – nyilatkozza Korsós B. Marianna, aki nemcsak tudományos munkatárs az ELTE Csillagászati Tanszékén, hanem egyben az Aberystwythi Egyetem Fizika Tanszékének Naprendszerfizikai Csoportjában is posztdoktori kutatóasszisztens. – Immár erősen hiszem, hogy
a különböző kutatási területeknek közös projekteken kell dolgozniuk, mert ez nagy ugrásokkal viheti előre a tudományt.”
A kutatás azért is számít rendkívül fontosnak a szakterületen, mert a szpikulák nagy száma miatt a kutatók feltételezik, hogy a plazmakilövellések kulcsszerepet játszanak a Naprendszer tömeg- és energiaszállításban. Ennek mikéntjére azonban a modern plazma-asztrofizika még nem talált magyarázatot. Mi tartja fenn a napszelet? És hogyan melegszik fel a napkorona több millió Kelvin fokos hőmérsékletre? Ehhez hasonló kérdésekre keresik a tudósok jelenleg is a választ. A témáról az alábbi cikkünkben olvashat bővebben.
A kutatás az ELTE-n a Felsőoktatási Intézményi Kiválósági Program (FIKP) asztro- és részecskefizikai tématerületének keretében zajlik, Frei Zsolt vezetésével. A csoport magyar tagjai az IRIS űreszköz által készített megfigyelések adatainak elemzéséhez és annak elméleti értelmezéséhez járultak hozzá szakértelmükkel, fejlett feldolgozási technikákat használva az adatelemzéshez.
Az eredményeket összegző tanulmány 2022. március 3-án jelent meg a Nature Physics lapban, és a SharedIt-en is olvasható.