Záření různých iontů železa a niklu ve sluneční koróně a odpovídající teplota v milionech Kelvinů. Data byla pořízena na atolu Takatoto ve Francouzské Polynésii v roce 2010
Prchavý okamžik, kdy měsíc zakryje sluneční kotouč a nastane úplné zatmění Slunce, je tím pravým momentem, za kterým mezinárodní vědecký tým z Ústavu matematiky FSI VUT v Brně a z Institute for Astronomy University of Hawaii cestuje po celém světě. Zajímá je především sluneční koróna, jasně zářící okolí Slunce tvořené velmi řídkým plazmatem o velmi vysoké teplotě, která je nejlépe viditelná právě během úplného zamění.
Z naměřených dat nyní určili zdroje proudů pomalého, středního a rychlého slunečního větru, jehož rychlost se pohybuje od 300 do 700 kilometrů za sekundu. Nové objevy k fyzikálním procesům, jež formují sluneční vítr, představili v prestižním odborném časopise Astrophysical Journal Letters. Sluneční vítr má přitom velký vliv na naši planetu, způsobuje totiž ionizaci zemské atmosféry, která se projevuje výskytem polární záře, poruchou příjmu na krátkých rádiových vlnách nebo kolísáním a výpadky v elektrické síti, které mohou být i velmi vážné.
Data pro své závěry sbírali výzkumníci dlouhá léta. Slunce totiž prochází přibližně jedenáctiletým cyklem, kdy se střídají pravidelná období vysoké aktivity s obdobími klidu. „Protože má sluneční cyklus velký vliv na naši Zemi, je důležité mít k dispozici pozorování alespoň během jednoho celého cyklu, což se našemu týmu podařilo a článek pro Astrophysical Journal Letters je založený na datech z let 2008 až 2019,“ říká matematik Miloslav Druckmüller, který vede tým odborníků na strojní fakultě VUT. Upozornění na jejich závěry se objevilo i na stránkách Americké astronomické společnosti a na webu NASA.
Sluneční koróna během celého cyklu sluneční aktivity. První a třetí sloupec ukazují bílou korónu, tj. světlo odražené od volných elektronů. Druhý a čtvrtý sloupec obsahují odpovídající obrazy, ve kterých je zvýrazněno červeně záření iontu Fe XI (odpovídající teplota 1,2 MK) a zeleně zvýrazněno záření Fe XIV (odpovídající teplota 1,8 MK). Roky 2008 a 2019 jsou obdobími minima sluneční činnosti. Maximum nastalo mezi lety 2010 a 2015
Jak změřit Slunci teplotu
„Našim hlavním zájmem je především výzkum záření těžkých iontů železa a niklu ve sluneční koróně. Klíčovou úlohu hraje unikátní aparatura pro pozorování šesti různých iontů těchto prvků, z nichž každý potřebuje ke svému vzniku jinou teplotu v rozmezí 0,5 až 2,5 milionu Kelvinů. To nám umožňuje měřit teplotu v místech, kam se zřejmě nikdy nebude možné dostat a provést měření přímo na místě,“ vysvětluje Druckmüller.
I když samotná myšlenka tohoto principu měření teploty ve sluneční koróně je poměrně jednoduchá, její praktické provedení je velice obtížné. Většina světla sluneční koróny je tvořena bílým světlem, které pochází ze sluneční fotosféry a je rozptylováno volnými elektrony, které tvoří ve sluneční koróně jakousi mlhu. Záření různých iontů je naopak velmi slabé, asi stošedesátkrát slabší než toto bílé světlo. „Právě oddělení tohoto velmi slabého záření od intenzivního bílého světla je největším problémem. Unikátní aparatura, která umožňuje tento problém řešit, po mechanické stránce celá vznikla na naší fakultě a zčásti je vyrobena 3D tiskem. Software pro řízení celého zařízení vytvořil kolega Pavel Štarha, matematické algoritmy pro zpracování obrazů včetně jejich implementace jsou pak mým dílem,“ popisuje Druckmüller.
Aparatura byla financována havajskou univerzitou, cena jednoho modulu pro pozorování záření jednoho z iontů je srovnatelná s cenou dražšího automobilu. „Na naše poměry se může zdát tato technika velmi drahá, ale v porovnání s kosmickým výzkumem je to zařízení velice levné. Jeho hlavní výhodou je, že jej můžeme rychle modernizovat, přidávat další moduly a díky tomu i rychle uskutečnit nové nápady,“ dodává Druckmüller.
Aparatura pro pozorování iontů železa a niklu ve sluneční koróně použitá pro pozorování zatmění Slunce v roce 2019 v Chile
Naměřené informace o záření iontů železa a niklu nabývají zásadním způsobem na významu, pokud se zkombinují s daty z kosmických sond, které analyzují složení slunečního větru přímo ve vesmíru. Dovedou zjistit, z jakého atomu iont vznikl, kolik mu chybí elektronů a jakou rychlostí se pohybuje. Měření tyto sondy provádějí velmi daleko od Slunce, ve vzdálenosti Země a dokonce i ve vzdálenosti Jupiteru. „Mohlo by se zdát, že v těchto vzdálenostech složení iontů nemá nic společného se složením iontů, které pozorujeme přímo ve sluneční koróně. Není to však pravda. Částice slunečního větru, který vzniká ve sluneční koróně, se velmi rychle dostanou do míst s tak dokonalým vakuem, že jejich vzájemné srážky jsou prakticky vyloučeny. Tato oblast začíná překvapivě blízko Slunce, blíže než jeden sluneční poloměr, a určení této hranice je dalším významným výsledkem naší spolupráce s havajskou univerzitou,“ uzavírá Druckmüller.
Text: Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně
Foto: Ústav matematiky FSI – VUT
