Sıvı metal deneyi, güneşin koronasının ısıtma mekanizması hakkında bilgi sağlar

Güneşin koronasının neden birkaç milyon santigrat dereceye ulaştığı, güneş fiziğinin en büyük gizemlerinden biridir. Bu etkiyi açıklamak için “sıcak” bir iz, ses dalgalarının ve belirli plazma dalgalarının aynı hızda hareket ettiği, koronanın hemen altındaki güneş atmosferinin bir bölgesine götürür. Erimiş alkali metal rubidyumu ve darbeli yüksek manyetik alanları kullanan bir deneyde, bir Alman ulusal laboratuvarı olan Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf’tan (HZDR) bir ekip bir laboratuvar modeli geliştirdi ve teorik olarak öngörüleni ilk kez deneysel olarak doğruladı. Araştırmacıların dergide bildirdiği gibi, Alfvén dalgaları olarak adlandırılan bu plazma dalgalarının davranışı Fiziksel İnceleme Mektupları.

15 milyon santigrat derecede, güneşimizin merkezi hayal edilemeyecek kadar sıcaktır. Yüzeyinde, ışığını nispeten ılımlı 6000 santigrat derecede yayar. Dr. Frank Stefani, “Üst üste binen güneşin koronasında birkaç milyon derecelik sıcaklıkların aniden yeniden hüküm sürmesi daha da şaşırtıcı” diyor. Ekibi, HZDR Akışkanlar Dinamiği Enstitüsü’nde, merkez yıldızımız da dahil olmak üzere gök cisimlerinin fiziği üzerine araştırmalar yürütüyor. Stefani için korona ısınması, güneş fiziğinin en büyük gizemlerinden biri olmaya devam ediyor ve zihninde çok basit bir soru şeklinde dolaşıp duruyor: “Tencere neden sobadan daha sıcak?”

Güneşin koronasını ısıtmada manyetik alanların baskın bir rol oynadığı, artık güneş fiziğinde yaygın olarak kabul edilmektedir. Bununla birlikte, bu etkinin esas olarak güneş plazmasındaki manyetik alan yapılarındaki ani bir değişiklikten mi yoksa farklı dalga türlerinin sönümlenmesinden mi kaynaklandığı tartışmalıdır. Dresden ekibinin yeni çalışması, manyetik alanların nüfuz ettiği güneş atmosferinin sıcak plazmasında koronanın altında meydana gelen sözde Alfvén dalgalarına odaklanıyor. Plazmanın iyonize parçacıklarına etki eden manyetik alanlar, çalması bir dalga hareketini tetikleyen bir gitar teline benzer. Tırtıklı bir ipin perdesi gerilimi ile arttığı gibi, Alfvén dalgasının frekansı ve yayılma hızı da manyetik alanın gücü ile artar.

“Güneşin koronasının hemen altında, manyetik alanların büyük ölçüde güneş yüzeyine paralel olarak hizalandığı bir katman olan sözde manyetik gölgelik bulunur. Burada, ses ve Alfvén dalgaları kabaca aynı hıza sahiptir ve bu nedenle kolayca birbirine dönüşebilir. Tam olarak bu sihirli noktaya -plazmanın manyetik enerjisinin ısıya şok benzeri dönüşümünün başladığı yere- ulaşmak istedim” diyor Stefani, ekibinin hedefini özetleyerek.

Tehlikeli bir deney mi?

1942’deki tahminlerinden kısa bir süre sonra, Alfvén dalgaları ilk sıvı metal deneylerinde tespit edilmiş ve daha sonra ayrıntılı plazma fiziği tesislerinde ayrıntılı olarak incelenmiştir. Sadece korona ısıtması için çok önemli kabul edilen manyetik kanopinin koşulları, şimdiye kadar deneyciler için erişilemez kaldı. Bir yandan, büyük plazma deneylerinde Alfvén hızı tipik olarak ses hızından çok daha yüksektir. Öte yandan, bugüne kadarki tüm sıvı metal deneylerinde önemli ölçüde daha düşük olmuştur. Bunun nedeni: Yaklaşık 20 tesla sabit alana sahip ortak süper iletken bobinlerin nispeten düşük manyetik alan gücü.

Peki ya HZDR’nin Dresden Yüksek Manyetik Alan Laboratuvarı’nda (HLD) maksimum 100 tesla değerinde üretilebilenler gibi darbeli manyetik alanlar? Bu, Dünya’nın manyetik alanının gücünün yaklaşık iki milyon katına karşılık gelir: Bu aşırı yüksek alanlar Alfvén dalgalarının ses bariyerini aşmasına izin verir mi? Araştırmacılar, sıvı metallerin özelliklerine bakarak, alkali metal rubidyumun aslında bu sihirli noktaya 54 tesla’da ulaştığını önceden biliyorlardı.

Ancak rubidyum havada kendiliğinden tutuşur ve suyla şiddetli reaksiyona girer. Bu nedenle ekibin başlangıçta böyle tehlikeli bir deneyin tavsiye edilebilir olup olmadığı konusunda şüpheleri vardı. HLD’den Dr. Thomas Herrmannsdörfer, şüphelerin çabucak ortadan kaldırıldığını hatırlıyor: “Darbeli mıknatısları çalıştıran enerji besleme sistemimiz, 50 megajul’ü saniyenin çok küçük bir bölümünde dönüştürür – bununla teorik olarak ticari bir yolcu uçağını kısa sürede havalandırabilirdik. Bir saniyenin kesri. Çalışma arkadaşlarıma sıvı rubidyumun bu kimyasal enerjisinin binde birinin beni pek endişelendirmediğini anlattığımda, yüz ifadeleri gözle görülür şekilde aydınlandı.”

Manyetik ses bariyerinden geçti

Yine de, başarılı deney için hala zorlu bir yoldu. Darbeli manyetik alanda üretilen atmosferik hava basıncının elli katına varan basınçlar nedeniyle, rubidyum eriyiğinin, emeklilikten çıkarılan deneyimli bir kimyagerin doldurması gereken sağlam paslanmaz çelik bir kap içine konması gerekiyordu. Kabın dibine alternatif akım enjekte ederken aynı anda onu manyetik alana maruz bırakarak, yukarı doğru hareketi beklenen hızda ölçülen eriyikte Alfvén dalgaları oluşturmak nihayet mümkün oldu.

Yenilik: 54 tesla’nın sihirli alan kuvvetine kadar tüm ölçümlere alternatif akım sinyalinin frekansı hakimken, tam bu noktada yarı frekanslı yeni bir sinyal ortaya çıktı. Bu ani dönem ikiye katlanması, teorik tahminlerle mükemmel bir uyum içindeydi. Stefani’nin ekibinin Alfvén dalgaları ilk kez ses duvarını aşmıştı. Gözlenen etkilerin tümü henüz bu kadar kolay açıklanamasa da, çalışma güneşin korona ısınması bilmecesinin çözümüne önemli bir ayrıntı katıyor. Gelecek için araştırmacılar ayrıntılı sayısal analizler ve daha ileri deneyler planlıyorlar.

Güneşin koronasının ısıtma mekanizmasıyla ilgili araştırmalar başka yerlerde de yürütülüyor: Parker Solar Probe ve Solar Orbiter uzay sondaları yakın mesafeden yeni içgörüler kazanmak üzere.