Magyar tudós vezetésével fejtették meg a Nap titkát

A kutatásban a University of Sheffield, a California State University, valamint a belfasti Queen’s University tudósai vettek részt. A kutatócsoportot Erdélyi Róbert, a Magyar Tudományos Akadémia tagja, a Sheffield Egyetem Nap- és Űrplazma-Fizikai Kutatóközpontjának vezető professzora irányította.

A vizsgálat fókuszában a Nap légkörében megfigyelhető különleges mágneses hullámok, az úgynevezett Alfvén-hullámok álltak. Ezeknek a csillagok belsejében kialakuló mágneses eredetű hullámoknak a jelenlétére Hannes Alfvén svéd tudós következetett először 1942-ben, elméleti számítások alapján. Felfedezéséért pár évtizeddel később Nobel-díjat kapott. Egészen mostanáig azonban eddig nem állt rendelkezésre olyan közvetlen és megdönthetetlen bizonyíték, amely alátámasztaná az Alfvén-hullámok jelenlétét napfizikai környezetben.

Ahhoz, hogy jobban megérthessük a felfedezés lényegét, először nem árt részletesebben megismerkedni a Nap felépítésével. A csillag még szilárd legkülső rétegét fotoszférának nevezik, ez az, amelyet szabad szemmel is láthatunk, innen származik a látható fény legnagyobb része. Itt a hőmérséklet 6000 Kelvin (5727 °C), vastagsága pedig mintegy 500 kilométer. Efölött helyezkedik el a kromoszféra, amelynek alsó határa a Nap leghidegebb régiója, ahol a hőmérséklet 4400 Kelvinre (4127 °C) csökken, ám a csillag felszíne felé haladva egyre emelkedik, 6-7000 Kelvin (5727-6727 °C)  körüli szintre. A kromoszféra felső határát a kutatók a 30 000 Kelvinnél (29 727 °C) húzzák meg.

A két réteg között nagy sebességgel mozgó hullámok szállítják a hatalmas energiát © Erdélyi Róbert/University of Sheffield

A laikus számára logikusnak tűnhet, hogy a középponttól távolodva egyre csökken a hőmérséklet, ám ennek ellentmond, hogy a Nap plazmaszerű „atmoszférája”, a korona a 3 millió Kelvines (2999727 °C) hőmérsékletet is elérheti. A koronát egyébként a napfogyatkozások alkalmával lehet megfigyelni, ugyanis ez a terület akár több millió kilométerre is kinyúlik a nyílt űrbe. A Nap légköri hőmérsékletének rohamos és fölöttébb rejtélyes emelkedése a felszíni (fotoszférikus) 6000 Kelvinről a több millió fokos korona-hőmérsékletig a modern asztrofizikai kutatások egyik legkiemeltebb és szó szerint "legégetőbb" kérdése volt az utóbbi fél évszázadban. Az Erdélyi professzor által vezetett kutatócsoport ezt a jelenséget vizsgálta, s az Alfvén-hullámok jelenlétének igazolásával tudtak magyarázatot adni rá.

Az óriási hőmérsékletnövekedést a hullámoknak az úgynevezett mágneses fluxuscsövekben történő mozgása idézi elő. Ezt úgy lehet talán a legkönnyebben elképzelni, mintha egy ruganyos, tömör gumicsövet a végénél fogva jobbra-balra nyíró mozgással megtekernénk (lásd a mellékelt ábrát). A vizsgálatok eredményeit értékelve a kutatók olyan mágneses csavarhullámokat (torziós hullámokat) fedeztek fel, amelyeknek terjedési sebessége elérte a 25 km/s, azaz csaknem 70 000 km/óra sebességet. Ezekben a hullámokban elegendő energia található ahhoz, hogy több millió fokra hevítsék a Nap légkörét.

A mágneses fluxuscsőben felfelé terjedő torziós Alfvén-hullámok © Erdélyi Róbert/University of Sheffield

„Megdönthetetlen bizonyíték van a kezünkben” – válaszolta a hvg.hu kérdésére Erdélyi professzor. „A mágneses hurkok, a fluxuscsövek képezik a csillagok légkörének egyik fő építőkövét. Az Alfvén-hullámok pedig kizárólag mágneses térben jönnek létre és csak ezek a hullámok mutatják a fentiekben leírt jelenséget, eközben viszont nem változtatják meg a mágneses fluxuscsövek fényerejét. Sikerült egyértelműen kimutatnunk, hogy a torziós mozgás emiatt jön létre.

A magyar szakember már a tavalyi év során a Science tudományos folyóiratban publikálta elméleti számításait és felvetését a hullámok jelenlétét illetően. E kalkulációk alapján készítették elő a vizsgálatokat, amelyekre a Kanári-szigeteken található Las Palmas-i obszervatóriumban került sor, a Svéd Napfizikai Távcső (SST – Swedish Solar Telescope) segítségével. A speciális eszköz révén a mágneses fluxuscsöveket fényes, apró foltokként láthatjuk a Nap légköréről készült felvételen. Az eszköz felbontóképességét jól szemlélteti az a példa, hogy segítségével egy Tokióban tartózkodó ember könnyen leolvashatná a pontos időt a londoni Big Benről.

A képen látható terület a Nap egyik, 8000 négyzetkilométeres területét ábrázolja. A középső részen látható világosabb struktúrák utalnak az Alfvén-hullámok jelenlétére © Erdélyi Róbert/University of Sheffield

Az Alfvén-hullámok észlelését nehezítette az a körülmény, hogy a mágneses fluxuscsövek a Nap felszínétől távolodva egyre jobban szétnyílnak, mivel exponenciálisan csökken az őket érő légköri nyomás, s átmérőjük akár Magyarország szélességének tízszeresét is elérhetik. Egy-egy ilyen fluxuscső az SST felvételeinek tanúsága szerint 1-2 órán át áll nyitva, utána megszűnik létezni.

A Nap zenésze

Erdélyi Róbertnek nem ez az első jelentős, nemzetközi elismerést kiváltó eredménye. 2004-ben a Nature címlapján jelent meg beszámolója, amelyben a Napnál meg-figyelhető speciális kitö-résekre, az úgynevezett szpikulákra, adott sikeres magyarázatot. A szpikulák jelentősege abban rejlik, hogy anyaguk sokszor kidobódik az interplanetáris térbe, meghatározva ezzel a napszél fizikai tulajdonságait. 2007 tavasszán egy másik jelentõs eredményérõl is beszámolt a hvg.hu. A naphúrok által kibocsátott, avantgárd zenei zörejekhez hasonlítható hang felvétele itt hallható. Legutóbb 2007 telén publikálta kutatásait a Science hasábjain, szerkesztői felkérésre, a Nap globális oszcillációjáról, s azok közvetlen, a Nap légkörében észlelt dinamikai következményeiről. A magyar kutató és csoportja a mágneses hurkokon a kémiai reakciók miatt bekövetkező robbanások miatt kialakuló rezgések, hullámok elemzésével jutott erre az asztrofizikai szempontból  jelentős következtetésre.

“Az Alfvén-hullámok felfedezésére összpontosuló tudományos verseny már egy ideje igen intenzíven zajlott” – magyarázta Erdélyi professzor a hvg.hu-nak. „A különböző országok űrhivatalai hatalmas összegeket fordítanak ezekre a kutatásokra, mivel a mágneses hullámok gyakorlati jelentősége óriási lehet, például a környezetbarát fúziós zöld energia előállításában. Másrészt, az Alfvén-hullámok segítségével bepillanthatunk nemcsak a Nap, de távoli csillagok mágneses szerkezetébe is, magneto-szeizmológiai technikák kifejlesztésével, csakúgy, ahogyan a földrengések vizsgálata, elemzése segít bennünket a Föld kérge alatt végbemenő fizikai folyamatok és struktúrák feltárásában, vagy ahogy a vesekövek pozíciójának meghatározásakor hanghullámokkal térképezik fel a szakorvosok a vesét anélkül, hogy sebészeti beavatkozást alkalmaznának. A mágneses Alfvén-hullámok napfizikai környezetben történt felfedezésére visszatérve: ez egy nagyon izgalmas kutatási terület, és nagy örömmel töltött el, hogy részt vehettem a nemzetközi együttműködésben, ahol rengeteget tanulhattam kiváló angol, észak-ír és amerikai kollégáimtól.”

"A hullámokat sokszor úgy jelenítjük meg, mint amikor kavicsot dobunk egy tóba, vagy megpengetünk egy gitárhúrt" – tette hozzá dr. David Jess, a Queen’s University of Belfast (QUB) szakértője. "Ám az Alfvén-hullámok teljesen más jellegűek, mivel szabad szemmel teljességgel láthatatlanok. Csak a Nap légkörében megfigyelhető mágneses struktúrák mozgásának elemzésével tudtuk őket elsőként és egyértelműen észlelni."

"A napaktivitás pontos megismerése és megértése alapvető fontosságú az emberiség számára" – magyarázta Mihalisz Mathioudakisz professzor, a QUB napfizikai kutatócsoportjának vezetője. "Részben a napsugárzás emberre gyakorolt hatása miatt, aminek a hosszú távú űrutazások során lehet jelentősége, részben a Napnak a Föld légkörére gyakorolt hatása miatt. Egy közepes erejű napkitörés során ugyanis a felszabaduló mágneses energia felérhet akár tízmilliárd atombomba energiájával. Kutatásunk jelentős lépés ezeknek a nagyenergiájú folyamatoknak a megértésében."

"Az Alfvén-hullámoknak csak átvitt értelemben van köze a napkitörések elleni védekezéshez" - tette hozzá Erdélyi Róbert. "Azonban fontos lehet a hosszútávú űrmissziók szempontjából a mostani felfedezésünk, a mágneses fluxuscsövek megismerése. Az űrhajók és az asztronauták védelmére ugyanis az egyik lehetséges módszer az lehet, hogy az űrhajók körül a Földéhez hasonló mágneses teret generálunk, amely eltérítené ezeket az emberi szervezet számára káros részecskéket. "

A felfedezésnek fontos szerepe lehet bolygónk energiaellátásának szempontjából is, ugyanis a mágneses fluxuscsövek jelenthetik a nagy mennyiségű tiszta energiát eredményező fúziós erőművek egyik kulcsát.

"A zöld energiát többféle módon előállíthatjuk" - magyarázta Erdélyi Róbert. "A napcellák esetében egyelőre technológiai probléma, hogy azok nem elég hatékonyak, a Nap fényének csupán töredékét tudják hasznosítani, főleg egy északi országban. A hidrogéncellák esetében is hasonló a probléma, hogy egyelőre nem szolgáltatnak elegendő elektromosságot. A nagy áttörés a fúziós energia kifejlesztése lenne. A maghasadás már működik az atomerőművekben, de ennek hátrányai ismertek. A fúziónál nincs radioaktivitás, azonban ahhoz, hogy ez bekövetkezzen, először úgynevezett plazmaállapotba kell hozni az anyagot. Ez egy negyedik, átmeneti halmazállapot, amelyből az univerzum anyagának 98-99 százaléka áll. Földi körülmények között azonban rendkívül ritka, a csillagokban, galaxisokban, interplanetáris térben viszont mindenhol megtalálható. Ha ezt a plazmát sikerülne magas hőmérsékletre felhevíteni, végebemehetne a fúzió. Ehhez mágneses térre van szükség, s itt a gyakorlati jelentősége a felfedezésünknek, a Nap felszínén ugyanis a mágneses hurkok hosszú ideig fenn tudnak maradni. Ha el tudnánk lesni, hogy a természet hogyan hozza létre a fluxuscsöveket, akkor a fúziós reaktorokban is meg lehetne valósítani ezt. Ez nem kevesebbet jelent, mint az emberiség energiaproblémáinak megoldását. A módszer segítségével ugyanis 100 liter csapvíz és körülbelül 2,5 gramm lítium felhasználsával - a fúzió segítségével - egy nyugati háztartást évtizedeken keresztül el lehetne látni energiával.

"Nagyon izgalmas és érdekes eredményekre jutottak a kutatók" – jelentette ki Keith Mason professzor, a kutatási projektet finanszírozó Tudományos és Technológiai Létesítmények Tanácsának (Science and Technology Facilities Council - STFC) vezérigazgatója. "A Nap létezésünk rendkívül fontos alkotóeleme, mivel innen származik az energia, amely lehetővé teszi a Földön az életet, emellett azonban számtalan más módon is befolyásolja a bolygónkat. A mostani felfedezésnek köszönhetően közelebbről megismerhetjük ennek a csillagnak az összetett működési folyamatait és azokat a folyamatokat, amelye a jövőben hatást gyakorolhatnak a Föld atmoszférájára, ezen keresztül pedig az egész emberiségre."