Yavaş güneş rüzgarına ne sebep oluyor?

Kuzey ışıkları (aurora borealis) ve güney ışıkları (aurora australis), onları görebilecek kadar şanslı olanları hayrete düşüren göksel manzaralardır. Birbirinden güzel, ışıltılı, dans eden ışık şeritleri olarak ortaya çıkarlar ve saatte 72 milyon kilometreye varan hızlarla Dünya'nın üst atmosferine ulaşan şiddetli güneş rüzgârındaki yüklü parçacıklardan kaynaklanırlar.

Fakat bilim insanları bu gibi olaylara neyin sebep olduğunu bilseler de, güneş rüzgârı sürecinin tamamını tam olarak anlamış değiller. Daha spesifik olarak, kökenlerinin daha iyi incelenebilmesi için uzun zamandır güneş rüzgârını Güneş'teki kaynağına bağlamaya çalışıyorlar.

Bu bilgiler oldukça önemli. Kutup ışıkları her ne kadar keyif verici olsalar da, güneş rüzgârının uğursuz bir tarafı da var. Manyetik alan içinde gömülü olan bu plazma akışları bazen inanılmaz derecede hızlı olur (saniyede 500 kilometreden fazla) ve potansiyel olarak Dünya'nın manyetosferinde büyük karışıklıkları tetikler. Bu tür taçküre kütle atımları (TKA'lar) Dünya'nın uyduları ve iletişim sistemleri için büyük bir tehdit oluşturduğundan, güneş rüzgârının daha iyi anlaşılması ve tahmin edilebilmesi kritik önem taşıyor.

Northumbria Üniversitesi'nin matematik, fizik ve elektrik mühendisliği bölümünde yardımcı doçent olan Steph Yardley, güneş rüzgârı hakkında daha fazla bilgi edinmek isteyen bilim insanları arasında yer alıyor. Özellikle, kutup ışıkları ve TKA'lar aracılığıyla ortaya çıkarılabilen ve uzun süredir devam eden bir gizemin aydınlatılmasına yardımcı olmakla ilgileniyor: Güneş'in farklı bölgeleri neden farklı hız ve yoğunluklarda güneş rüzgârları üretiyor?

Yardley, “Nispeten pürüzsüz ve kesintisiz olan hızlı güneş rüzgârının taçküredeki deliklerden kaynaklandığı oldukça iyi biliyoruz,” diyor; bunlar açık manyetik alanlarla ilişkili aşırı morötesinde görülen karanlık bölgelerdir. Yavaş güneş rüzgârları saniyede 500 kilometreden daha düşük hızlarda hareket eder. Yardley sözlerine şöyle devam ediyor: “Yavaş güneş rüzgârının kökenleri hâlâ geniş çapta tartışılıyor, ancak aktif bölgelerin kenarları umut verici bir kaynak. Yavaş güneş rüzgârı da oldukça değişkendir; bir başka ucu açık soru da bu değişkenliğe neyin sebep olduğu.”

Bu durum göz önüne alındığında Yardley'in odak noktası netleşiyor. Yardley, “Güneş fiziğinin temel hedeflerinden biri, yavaş güneş rüzgârının kaynaklarını ve itici güçlerini anlamaktır” diyor. Bu, güneş rüzgârı plazmasını Güneş'ten uzağa ve Güneş Sistemi'nin içine salan, hızlandıran ve taşıyan kaynaklarla mekanizmaların daha iyi anlaşılmasını gerektiriyor.

Güneş'e gönderilen en karmaşık bilimsel laboratuvar olduğu söylenen Güneş Yörünge Aracı görevine göz atalım. Avrupa Uzay Ajansı (ESA) tarafından tasarlanan ve NASA tarafından desteklenen Güneş Yörünge Aracı, Şubat 2020'de fırlatıldı. On bilimsel araçtan oluşan bir sistem içeriyor ve güneş rüzgârı parçacıkları ile manyetik alan ölçümlerini doğrudan yüzey gözlemleriyle birleştiriyor. Yardley, “Güneş ve heliosfer arasındaki bağlantıyı yakın bir mesafeden araştırıyor” diye açıklıyor. Bunu yaparken de ana amaçlarından biri güneş rüzgârını ölçmek ve Güneş yüzeyindeki başlangıç alanına geri bağlamak.

Yardley, Güneş Yörünge Aracı tarafından yapılan gözlemlerin benzersizliğinin kendisini cezbettiğini söylüyor. “Uzay aracının Cape Canaveral'dan fırlatılışını görecek kadar şanslıydım ve güneş parlamalarının kaynak bölgelerini analiz etme konusundaki uzmanlığımı, yeni bir sorunu farklı bir açıdan ele almak için kullanmak istedim” diye ekliyor. Daha önceki açıklamalar bilim insanları tarafından öne sürülmüştü, ancak Yardley güneş rüzgârının kapalı bir taçküreden (Güneş atmosferinin en dış katmanı) kaynaklandığı teorisi üzerinde yoğunlaştı. Bu da büyük bir buluşa yol açtı. Yardley, “Açıklamalar çoğunlukla dalgalara ya da manyetik yeniden bağlanmaya odaklanıyor: genişleyen açık manyetik akı tüpleri boyunca yayılan dalgalar, daha büyük bir genişleme sayesinde daha yavaş bir rüzgâr hızı sağlıyor” diyor. "Diğer teoriler, kapalı döngüler boyunca yer alan plazmayı helyosferin içine salmak için açık ve kapalı manyetik alanlar arasındaki yeniden bağlantıya dayanıyor. Bu ikisinin bir kombinasyonu olan ve 'S-ağı' olarak bilinen son teori ise Güneş'in, yeniden bağlanmanın kolayca gerçekleşebileceği ve plazmanın güneş rüzgârı olarak kaçabileceği kapalı bölgelerin yanında bulunan genişleyen manyetik akı tüpleriyle dolu olduğunu öne sürüyor."

Kapalı bir taçküre açık bir taçküreden farklıdır. Kapalı taçküre, manyetik alan çizgilerinin uzaya doğru uzanmadan önce bir ucundan Güneş'e demirlendiği ve güneş materyalinin uzaklaştırılabileceği etkili bir yol oluşturduğu durumu ifade eder. Öte yandan kapalı bir taçküre, her iki ucu da güneş yüzeyine bağlı olup, manyetik olarak aktif bölgeler üzerinde parlak bir halka oluşturur. Yardley, kapalı döngülerin kısa süreliğine kırıldığı ve güneş materyalinin açık manyetik alan çizgilerinden yavaşça kaçmasına izin verdiği ve daha sonra yeniden bağlanıp tekrar bir döngü oluşturduğu teorisini test ediyordu. Daha önce güneş rüzgârı ölçümleri Dünya'ya yakın yerlerde yapılıyordu. Ancak o kadar uzağa gittiğinde yavaşhızlı değişkenlik kayboluyordu. Yardley, “Güneş Yörünge Aracı'ndan önce Gelişmiş Kompozisyon Kaşifi'ni kullanıp bir astronomik birim mesafeden ölçümler yaparak ve bu ölçümleri farklı bir uzay aracı kullanarak Güneş'in görüntüleriyle birleştirerek güneş rüzgârının izini sürüyorduk” diyor. Bu uzay aracı 2006 yılında fırlatılan Japon Havacılık ve Uzay Keşif Ajansı'nın Hinode adlı aracıydı. Ancak Güneş Yörünge Aracı daha hassas ölçümler yapılmasına ve bu olguların daha iyi gözlemlenmesine olanak sağladı. "Bu ölçümleri ve görüntüleri ilk kez aynı uzay aracında 0,5 astronomik birim gibi daha yakın bir mesafede farklı cihazlar kullanarak birleştirdik. Güneş rüzgârının küçük ölçekli değişkenliği genellikle Güneş'ten uzak mesafelerde taşınma süreçleri nedeniyle kaybolur, bu nedenle Güneş'e yakın mesafelerde alınan güneş rüzgârı ölçümleri çok değerlidir.”

Yardley'in ekibi uzay aracının on cihazından beşini kullandı ve bunlar Güneş'in yüzeyindeki aktiviteyi analiz etmelerini, güneş materyalindeki ağır iyonların kombinasyonunu ölçmelerini ve bunları eşleştirmelerini sağladı. Bu cihazlardan üçü güneş rüzgârının kaynak bölgelerini incelemek için kullanıldı. Bunlar Aşırı Morötesi Görüntüleyici, Polarimetrik ve Heliosismik Görüntüleyici ve Taçküre Ortamının Tayfsal Görüntüleme aracıdır. İki tanesi, iki gün sonra Güneş Yörünge Aracı'na ulaşan bu kaynak bölgelerden çıkan güneş rüzgârının ölçümlerini almak için kullanıldı. Bu cihazlar da Güneş Rüzgârı Plazma Analizörü ve manyetometreydi.

Güneş rüzgârının hız, yoğunluk ve sıcaklık gibi kütlesel özelliklerinin yanı sıra bileşimini de ölçen Güneş Rüzgârı Plazma Analizörü üç farklı sensörden oluşuyor: Proton Alfa Sensörü, Elektron Analiz Sistemi ve Ağır İyon Sensörü. Sonuncusu çok önemli, çünkü Güneş'in her bölgesi benzersiz bir ağır iyon kombinasyonuna sahip olduğundan, güneş rüzgârındaki farklı ağır iyon seviyeleri nereden geldiğini belirleyebilir. Bilim insanlarının veri toplamak için mükemmel anları seçmeleri gerekmesine rağmen, Güneş Yörünge Aracı'nın ölçüm ve gözlemleri bir araya getirildiğinde çok etkili olduğu kanıtlandı.

Yardley şöyle açıklıyor: “Cihazların geliştirilmesinde yer almadım, ancak güneş rüzgârı ve kaynaklarına ilişkin yüksek çözünürlüklü gözlemler ve ölçümler yapabilmek için başkalarının da yardımıyla gözlem kampanyasını tasarladım. Güneş Yörünge Aracı'nın benzersiz yörüngesi ve kısmi Güneş görüntüleyicilerine sahip olması nedeniyle, gözlemlerin önceden tasarlanması ve koordine edilmesi gerekiyor. Kısmi güneş görüntüleyicileri tarafından yapılan uzaktan algılama gözlemleri, uzay aracı Güneş'e yaklaştığında her altı ayda bir üç adet on günlük zaman diliminde yapılıyor, bu nedenle çok önceden karmaşık bir planlama gerektiriyor. Örneğin, cihaz gözlem modlarının seçilmesi gerek. Ayrıca, birkaç gün sonra uzay aracına ulaşacak olan güneş rüzgârının kaynağını yakalamak için Güneş'teki gözlem hedefini üç gün önceden seçmek gibi kısa vadeli planlar da yapılmalı. Güneş atmosferinin manyetik alanını helyosferik manyetik alanla birlikte modelleyerek gözlem hedefini ve güneş rüzgârının kaynak bölgesini tahmin ettik." Ağır iyon kombinasyonları, güneş rüzgârının daha sıcak, kapalı taçküreden mi yoksa daha soğuk, açık taçküreden mi kaynaklandığına bağlı olarak farklılık gösterir. Bu bilgiler ikna edici bir sonucu beraberinde getirdi: yavaş rüzgârlar, açık ve kapalı taçkürelerin birleştiği bölgelerden kaynaklanıyordu ve böylece kopan ve yeniden bağlanan kapalı manyetik alan hatlarından kaçtıklarını kanıtlıyordu.

Yardley sözlerini şöyle sürdürüyor: “Uzay aracında tespit edilen güneş rüzgârını, bileşimini (nelerden oluştuğunu) analiz ederek Güneş'teki kaynağına bağlayabilir ya da izini sürebiliriz; biz de Taçküre Ortamın Tayfsal Görüntülenmesi cihazı ve Güneş Rüzgârı Plazma Analizörü kullanarak bunu yaptık.” "Kapalı taçküre, açık taçküreye kıyasla farklı bir bileşime sahiptir. Uzay aracında ölçülen bileşimdeki değişiklikleri farklı kaynaklardaki bileşim değişikliklerine bağlayabildik.”

"Ancak kapalı taçküredeki plazmanın tespit edilebilmesi için helyosfere kaçması gerekiyor. Uzay aracının bağlantısının doğrudan bir probunu sağlayan elektronlar, bu plazmanın, kapalı ve açık döngülerin etkileşime girdiği ve kapalı döngülerden plazmanın açık bir manyetik alan boyunca helyosfere kaçmasına izin veren, 'değişim yeniden bağlanması' adı verilen bir süreçle kaçabildiğini gösteriyor." Keşfedilen başka şeyler de vardı. Yardley, “Güneş rüzgârının küçük ölçekli değişkenliği, Güneş Yörünge Aracı'nın Güneş'teki birden fazla kaynak bölgeden çıkan farklı güneş rüzgârı akımlarının içinden geçmesinden ve bu kaynak bölgelerin evriminden kaynaklanıyor” diyor. "Güneş rüzgârı hızındaki azalma eğilimi de farklı kaynaklarla ilgili; örneğin taçküre deliği ve aktif bölgeler ve bu bölgelerle ilişkili manyetik alanın genişlemesi. Manyetik alan yükseklikle birlikte hızla genişliyorsa, güneş rüzgarı hızıyla ters bir ilişki vardır: büyük ölçüde genişleyen manyetik alanlar yavaş rüzgâra, daralan manyetik alanlar da hızlı rüzgâra neden olur."

Tahmin edebileceğiniz gibi, bu çalışma inanılmaz derecede önemli olduğunu kanıtladı. Güneş rüzgârının kaynak bölgesinin ayak izlerini içerdiğini gösteriyor; bu da fizikçilerin artık akıntıları kökenlerine kadar takip ederken sağlam bağlantılar kurabilecekleri anlamına geliyor. Bu aynı zamanda güneş rüzgârının artık daha önce görülmemiş ayrıntılarla incelenebileceği ve gelecekteki çalışmaların Güneş Yörünge Aracı ile sınırlı kalmasına gerek olmadığını ortaya koyuyor. BepiColumbo ve NASA'nın Parker Güneş Sondası da dahil olmak üzere helyosferde bulunan diğer gözlemevlerinden de veri alınabilir. Hepsinden önemlisi, uzay hava tahminlerini geliştirebilir. Yardley, “Güneş rüzgarını incelemek önemli çünkü Dünya'yı doğrudan etkiliyor” diyor. “Güneş rüzgârının daha iyi anlaşılması, Dünya'yı ve diğer gezegenleri etkileyen güneş püskürmelerine ilişkin varış tahminlerini de etkiler.”

GÜNEŞ RÜZGARININ KÖKENLERİ NELERDİR?

Güneş rüzgârının neden yavaş olduğuna dair üç ana açıklama var:

Genişleme faktörü modeli: Yavaş güneş rüzgârının kökenini açıklamaya yönelik genel modellerden biri, yolculuğuna bir koronal deliğin kenarından başladığını ve manyetik alanı içeren boru benzeri bir uzay boyunca ilerlediğini öne sürer.

Değişim modeli: Bir başka teori de yavaş rüzgârın taçküre içindeki kapalı bir alan bölgesinden kaynaklanabileceğini ve manyetik alan çizgileri ara sıra kırılıp yeniden hizalandığında plazmanın kapalı döngüler boyunca salındığını öne sürer.

S-ağı modeli: Bu teori önceki ikisinin bir karışımıdır. Yavaş güneş rüzgarının manyetik alan çizgileri kırılıp yeniden bağlandığında beslendiğini ve kaynağın bir separatris ağına bağlı dar açık alan koridorlarından oluşan bir ağ olduğunu söyler.

Fotoğraf: Nasa - Güneş, bu ilüstrasyonda gösterilen en dış katmanında sürekli olarak güneş rüzgârı yayıyor