תמונות חדשות של פני השמש שצולמו באמצעות טלסקופ השמש הגדול בעולם - טלסקופ דניאל ק. אינויה, שנבנה ומופעל בהוואי – יחד עם סימולציות מחשב מתוחכמות, חשפו מערבולות פלזמה זעירות שמעולם לא נראו קודם לכן. "כדי לזהות את המערבולות, היינו צריכים לפענח מבנים על פני השמש בגודל של כ-20 קילומטרים. זהו גבול היכולת שאפילו טלסקופ השמש הגדול בעולם וסימולציות חדישות יכולות להשיג", אמר ד"ר מיכיאל ואן נורט, ממכון מקס פלאנק לחקר מערכת השמש.
המערבולות שזוהו על פני השמש
(NASA/SDO/AIA/NSF/NSO/AURA/MPS/HAO)


החוקרים אמרו שהתצפיות עשויות לספק תובנות לגבי תהליכים פיזיקליים בסיסיים המשפיעים על הדינמיקה של השמש וכוכבים אחרים, כולל התפרצויות מפני השטח של השמש שעלולות להפריע לפעולת לוויינים, ניווט GPS, רשתות חשמל ותקשורת עולמית על פני כדור הארץ.
המערבולות מתרחשות בקצוות של מבנים המכסים בצפיפות את פני השטח הנראים של השמש. קוטרם נע בין 500 ל-2,000 קילומטרים – ויחד הם מזכירים בועות בנוזל רותח. למעשה, דפוסי המבנים הללו נובע מזרימה של פלזמה שעולה מחלקה הפנימי החם של השמש, מתקררת ושוקעת חזרה למעמקים. במחקר שפורסם בכתב העת Nature הצליחו החוקרים לראשונה לזהות שוב ושוב מבנים שמסתחררים בדומה לגלי אוקיינוס. זיהוי מבנים עדינים אלה דומה להבחנה במטבע של אירו אחד ממרחק של 180 קילומטרים.
גלריה
התמונה ברזולוציה הגבוהה ביותר של פני השמש (פוטוספרה) שצולמה אי פעם, ברזולוציה של 416 ננומטר על ידי טלסקופ דניאל ק. אינויה, בה ניתן להבחין במערבולות על פני השמשהתמונה ברזולוציה הגבוהה ביותר של פני השמש (פוטוספרה) שצולמה אי פעם, ברזולוציה של 416 ננומטר על ידי טלסקופ דניאל ק. אינויה, בה ניתן להבחין במערבולות על פני השמש
התמונה ברזולוציה הגבוהה ביותר של פני השמש (פוטוספרה) שצולמה אי פעם, ברזולוציה של 416 ננומטר על ידי טלסקופ דניאל ק. אינויה, בה ניתן להבחין במערבולות על פני השמש
(צילום: NSF/NSO/AURA/MPS)
פני השטח של השמש, כפי שצולמו בתחילת 2020פני השטח של השמש, כפי שצולמו בתחילת 2020
פני השטח של השמש, כפי שצולמו בתחילת 2020
(צילום: NSO/Aura/NSF)
החוקרים מפרשים את זרימות הפלזמה המסתחררות כסימנים לאי יציבות קלווין-הלמהולץ, תופעה פיזיקלית, שתוארה לראשונה במאה ה-19, שמתרחשת כאשר שכבה אחת של זורם (נוזל לצורך הדוגמה) זזה במהירות שונה או בכיוון אחר יחסית לשכבה הצמודה אליה. המהירות השונה יוצרת גלים מתעקלים שנראים כמו גלי ים נשברים. ההשפעה מתבטאת במגוון רחב של הקשרים ובקני מידה שונים – למשל, על פני השטח של אגמים או בגלי אוקיינוס, בהיווצרות עננים, באטמוספרות של כוכבי הלכת הגזיים הענקיים צדק ושבתאי, ובאינטראקציה של רוח השמש עם מגנטוספרות פלנטריות.
טלסקופ דניאל ק. אינויה של הקרן הלאומית למדע, שנבנה ומופעל בהוואיטלסקופ דניאל ק. אינויה של הקרן הלאומית למדע, שנבנה ומופעל בהוואי
טלסקופ דניאל ק. אינויה של הקרן הלאומית למדע, שנבנה ומופעל בהוואי
(צילום: Wirestock Creators/Shutterstock)
מערבולות הפלזמה הזעירות שהתגלו כעת על השמש מספקות פרספקטיבה חדשה לחלוטין על התהליכים שבאמצעותם השמש אוגרת ומשחררת אנרגיה בשדה המגנטי שלה, כמו למשל בצורה של התפרצויות קרינה זעירות המכונות ננו-התפרצויות. על פי התיאוריה הנוכחית, השמש צוברת אנרגיה מגנטית כאשר קווי שדה מגנטי מתפתלים – בדומה לאנרגיה מכנית המאוחסנת בקפיץ מתכתי מפותל היטב. זה יוצר ארכיטקטורת שדה מגנטי אנרגטית מאוד אך לא יציבה. האנרגיה המאוחסנת יכולה להשתחרר לפתע. בתהליך, המכונה "איחוי מגנטי", קווי השדה המגנטי המפותלים נפתחים ומתחברים מחדש.
עם זאת, בעבר לא היה ברור מה גורם לקווי השדה המגנטי להתפתל מלכתחילה. התגלית החדשה עשויה לספק חלק מהתשובה. מכיוון שהמערבולות מתרחשות ככל הנראה כל הזמן בכל מקום בו השדה המגנטי חזק מספיק, הן עשויות להיות הכוח המניע שמפעיל באופן שגרתי את הפיתול.
השוואה בין תצפית מטלסקופ דניאל ק. אינויה (למעלה משמאל) ותמונה שנוצרה על ידי סימולציות מחשב מתקדמות מבוססות פיזיקה (למעלה מימין). ההשוואה הזו מאשרת את קיום אי היציבות קלווין-הלמהולץ, תופעה פיזיקלית אוניברסלית המתרחשת כאשר שכבות סמוכות של נוזל או גז נעות במהירויות שונות, ויוצרות דפוסי סחרור בממשק ביניהן. מפה מדומה של השדה המגנטי על פני השמש (למטה מימין) מאשרת שתהליכים אלה מתכופפים פיזית ומעוותים את גבולות היסודות המגנטייםהשוואה בין תצפית מטלסקופ דניאל ק. אינויה (למעלה משמאל) ותמונה שנוצרה על ידי סימולציות מחשב מתקדמות מבוססות פיזיקה (למעלה מימין). ההשוואה הזו מאשרת את קיום אי היציבות קלווין-הלמהולץ, תופעה פיזיקלית אוניברסלית המתרחשת כאשר שכבות סמוכות של נוזל או גז נעות במהירויות שונות, ויוצרות דפוסי סחרור בממשק ביניהן. מפה מדומה של השדה המגנטי על פני השמש (למטה מימין) מאשרת שתהליכים אלה מתכופפים פיזית ומעוותים את גבולות היסודות המגנטיים
השוואה בין תצפית מטלסקופ דניאל ק. אינויה (למעלה משמאל) ותמונה שנוצרה על ידי סימולציות מחשב מתקדמות מבוססות פיזיקה (למעלה מימין). ההשוואה הזו מאשרת את קיום אי היציבות קלווין-הלמהולץ, תופעה פיזיקלית אוניברסלית המתרחשת כאשר שכבות סמוכות של נוזל או גז נעות במהירויות שונות, ויוצרות דפוסי סחרור בממשק ביניהן. מפה מדומה של השדה המגנטי על פני השמש (למטה מימין) מאשרת שתהליכים אלה מתכופפים פיזית ומעוותים את גבולות היסודות המגנטיים
(צילום: NSF/NSO/AURA/HAO)
התפרצות סולאריתהתפרצות סולארית
התפרצות סולארית
(צילום: Solar Dynamics Observatory/NASA/AP)
הניתוחים מראים גם כי המיני-מערבולות מערבבות ביעילות פלזמה ממוגנטת ופלזמה שאינה ממוגנטת על פני השטח של השמש. זה יכול לעזור לשדה המגנטי להתפשט במהירות מפני השטח אל תוך האטמוספרה של השמש. פעילות הכוכב שלנו, המונעת על ידי שינויים בשדה המגנטי של השמש, משתנה במחזור של 11 שנים – שהוא מהיר במיוחד בקנה מידה קוסמי. שינוי מהיר שכזה ב"מסגרת" המגנטית של השמש אפשרי רק אם ניתן להעביר ביעילות את השטף המגנטי דרך האטמוספרה הסולארית.
מודלים קיימים אינם יכולים להסביר דיפוזיה מהירה שכזו. המערבולות שהתגלו לאחרונה יכולות לקדם משמעותית את ההבנה והידע הקיים בנושא זה. "מערבולות הפלזמה שהתגלו לאחרונה מדגימות באופן מרשים כיצד תהליכים זעירים – על גבול היכולת שלנו לפענח באמצעות כל הטכניקות הזמינות – קובעים באופן משמעותי את טבעו של הכוכב שלנו", אמר ד"ר סאמי ק. סולאנקי, מנהל מכון מקס פלאנק לחקר מערכת השמש.
מחברי המחקר אף ציינו כי התופעה בה חזו מזכירה את הציור "ליל הכוכבים" של הצייר ההולנדי וינסנט ואן גוך, משנת 1889, שבו מבני המערבולת של השמיים דומים מאוד למבנים שנצפו על השמש. הקבלה דומה מופיעה גם בהדפס העץ המפורסם של האמן היפני קצושיקה הוקוסאי, "הגל הגדול מול קאנאגאווה" משנות ה-30 של המאה ה-19, בו חלקו העליון של הגל מזכיר את הגלים שנצפו על השמש. לדבריו החוקרים זה מראה כיצד הגאומטריה הבסיסית של הטבע מהדהדת עמוקות עם האמנות האנושית.