Kosmický prach a sluneční koróna: Proč je sluneční atmosféra horká miliony stupňů

Sluneční vnější atmosféra, zvaná koróna, dosahuje teplot 1–3 miliony °C – tedy stokrát více než viditelný povrch Slunce o teplotě přibližně 5500 °C . To odporuje základní termodynamice, protože teplo by nemělo samovolně proudit z chladnějšího povrchu do žhavější vnější vrstvy. Tento jev, známý jako problém ohřevu koróny, patří k nejodolnějším nevyřešeným otázkám astrofyziky .

Zatímco hlavními kandidáty na vysvětlení jsou magnetické vlny a takzvané nanoerupce, existuje i méně obvyklá myšlenka, která zvažuje roli kosmických prachových zrnek v blízkosti Slunce. Mohou tato nepatrná zrnka, uvězněná mezi vlastní setrvačností a silou elektromagnetických polí, sehrát podpůrnou roli v ohřevu koróny?

Problém ohřevu koróny: Co víme

Dvě hlavní skupiny modelů pro ohřev koróny jsou:

• Ohřev vlnami: Magnetické nebo turbulentní vlny vznikající díky vířivým pohybům pod povrchem Slunce putují vzhůru a v koróně se rozptylují a předávají svou energii .
• Ohřev nanoerupcemi: Nespočet drobných magnetických rekonexí – mikroerupcí a nanoerupcí – uvolňuje energii, která korónu kolektivně zahřívá .

Žádné jednotné vysvětlení dosud nebylo všeobecně přijato a mechanismus zůstává nejistý . Nedávná pozorování sondy Parker Solar Probe poskytla důkazy, že magnetické vlny, poháněné podpovrchovou turbulencí, mohou předávat energii iontům, což podporuje modely založené na vlnách . Jiné studie ukazují na nanoerupce jako klíčový faktor; rentgenová pozorování odhalují plazma o teplotě 10 milionů K, které může vzniknout pouze při impulzivních energetických výbuchech .

Kam zapadá kosmický prach?

Hustota prachu směrem ke Slunci roste a svého maxima dosahuje v tzv. F-koróně, kde rozptyl bílého světla na prachu převládá nad elektronovou K-korónou přibližně od vzdálenosti 3 poloměrů Slunce . V blízkosti Slunce se prachová zrnka elektricky nabíjejí vlivem intenzivního ultrafialového záření a toku plazmatu .

Jejich potenciální role v ohřevu koróny je nepřímá, ale stojí za pozornost:

• Vnášení hmoty: Když jsou prachová zrnka zničena srážkami nebo sublimací v blízkosti Slunce, uvolňují atomy a ionty do okolí, čímž dodávají těžké ionty do slunečního větru a koróny .
• Dynamika nabitých nanočástic: Velmi malá zrnka (1–10 nm) mohou mít vysoký poměr náboje k hmotnosti, takže jejich pohyb je silně ovlivněn elektromagnetickými silami. Jedním z navržených mechanismů, jak prodloužit dobu setrvání horkých zrnek u hvězdy, je magnetické zachycení nabitých nanočástic .

Je však důležité zdůraznit, že ohřev prachem není hlavním uchazečem v hlavním proudu literatury o ohřevu koróny. Uvedené zdroje důsledně zdůrazňují jako hlavní vysvětlení vlnový ohřev, rekonexi a nanoerupce .

Dva soupeřící efekty: hmotnost prachu vs. náboj prachu

Teoretický souboj mezi hmotností a nábojem prachu se týká toho, jak je energie získaná prachovým zrnkem nakonec využita – zda je uvolněna lokálně, nebo přenesena jinam, než se rozptýlí. Jde o uvěřitelný koncept fyziky prachového plazmatu, který je v souladu s chováním nabitých nanočástic ve hvězdném prostředí .

1. Hmotnost zrnka a setrvačnost – lokální uvolnění energie

Větší, hmotnější prachová zrnka jsou méně ovladatelná elektromagnetickými silami. Masivní zrnko, které je slabě vázáno na magnetické pole, sleduje spíše balistickou dráhu. Když se takové zrnko srazí, rozpadne se nebo je zničeno, jeho kinetická energie se uvolní lokálně ve formě tepla, ionizace nebo excitace okolní hmoty. To podporuje lokalizovaný ohřev v místě, kde zrnko původně získalo svou energii.

2. Náboj zrnka a poměr náboje k hmotnosti – transport energie

Velmi malá zrnka – nanočástice – mohou mít vysoký poměr náboje k hmotnosti, což činí jejich pohyb silněji ovlivněným elektromagnetickými silami . Nabité nanočástice v prostředí blízko hvězdy mohou být zachyceny nebo vedeny hvězdnými magnetickými poli, což prodlužuje jejich dobu setrvání . V tom případě může být energie spojená se zrnkem transportována podél magnetických struktur, než se rozptýlí, místo aby se uvolnila okamžitě v místě, kde zrnko energii získalo. To podporuje nelokální ukládání energie.

Základní otázka zní: Převládne setrvačnost zrnka, což povede k lokálnímu třecímu nebo srážkovému ohřevu, nebo převládne jeho elektromagnetická vazba, která umožní odnést energii podél magnetických siločar? Výsledek závisí na velikosti zrnka, povrchovém náboji, místních podmínkách plazmatu a síle magnetického pole.

Důležité upozornění

Tento souboj hmotnosti versus náboje je uvěřitelný koncept v rámci fyziky prachového plazmatu a je v souladu s myšlenkou, že nabité nanočástice mohou být výrazně ovlivněny hvězdnými magnetickými poli . Není to však standardní součást hlavního proudu debaty o ohřevu koróny. Uvedené zdroje nadále rámují hlavní vysvětlení v pojmech rozptylu vln, turbulence, magnetické rekonexe, mikroerupcí a nanoerupcí . Prach může hrát podpůrnou nebo lokalizovanou roli, ale současné důkazy nepodporují souboj hmotnosti a náboje prachových zrnek jako primární vysvětlení milionových teplot koróny.

Problém ohřevu koróny zůstává nevyřešen a je pravděpodobné, že se na něm podílí několik mechanismů najednou. Jak poznamenává jeden přehledový článek: „pravděpodobně neexistuje jediný fyzikální princip, který by problém ohřevu koróny jednou provždy vyřešil“ .