Lazerle üretilen plazma, Güneş koronasının ısınma bilmecesine laboratuvardan kanıt sundu

Güneş'in görünen yüzeyi yaklaşık 5.800 kelvin sıcaklıkta; ama onun üstündeki ince dış katman olan koronada sıcaklık milyonlarca dereceye çıkıyor. Bu tersine görünen sıcaklık dağılımı, Güneş fiziğinin en eski çözülmemiş sorularından biri. Çin Atom Enerjisi Enstitüsü'nden Wei Sun'ın öncülüğündeki ekip, sorunun olası bir çözümünü laboratuvarda sınadı. 20 Ekim'de Physical Review Letters'ta yayımlanan çalışmaya göre plazmadaki bir akışkan kararsızlığı, manyetik alanları kendiliğinden bir araya getirerek "nano parlama" denen küçük enerji boşalmalarını tetikleyebiliyor.

Nano parlama fikri

Koronal ısınmanın en çok kabul gören açıklamasında, Güneş yüzeyindeki çalkantılı akışlar koronaya uzanan manyetik alan çizgilerini yavaş yavaş burup geriyor ve enerji bu alanlarda depolanıyor. İnce elektrik akımı tabakalarında zıt yönlü alan çizgileri kopup yeniden birleşiyor; manyetik yeniden bağlanma denen bu süreç, depolanan enerjiyi aniden açığa çıkarıyor. Tek tek küçük olan bu olaylar nano parlama olarak adlandırılıyor ve yeterince sık gerçekleşirlerse koronayı ısıtabilecekleri düşünülüyor.

Makalenin özetinde dikkat çekilen nokta şu: Bu klasik tabloda akım tabakalarının yüzey hareketleriyle yavaşça oluştuğu varsayılıyor. Oysa büyük ölçekli akışkan kararsızlıklarının, daha önce hiç bulunmayan küçük akım tabakalarını kendiliğinden düzenleyebilmesi de mümkün. Bunun aday ortamlarından biri koronal yağmur: Koronada soğuyup yoğunlaşan plazma damlalarının daha seyrek plazmanın içinden aşağı düşmesi. Ağır bir sıvının hafif bir sıvının üstünde durması gibi bu düzen kararsız ve parmak benzeri yapılar oluşturuyor. Bu, fizikte Rayleigh-Taylor kararsızlığı olarak biliniyor.

Milimetrelik bir korona

Ekip, Çin'in Shenguang-II lazer tesisinde güçlü lazer atımlarını yüzeyi dalgalı biçimde işlenmiş küçük plastik hedeflere yöneltti. Ortaya çıkan, yalnızca milimetreler boyunda ama kararsızlıkların kontrollü biçimde tohumlandığı bir plazma oldu. Karşılaştırma için aynı deney düz hedeflerle de tekrarlandı; bu durumda kararsızlık gelişmiyor ve plazmanın davranışına şok dalgaları hâkim oluyor.

Sonuçlara göre Rayleigh-Taylor kararsızlığı zıt yönlü manyetik alanları bir araya topladı ve yeniden bağlanmayı başlattı. Bu süreç elektronları yaklaşık 70,8 elektronvolta, yani kabaca 820 bin kelvine kadar ısıttı; bu değer, şokun baskın olduğu düz hedefli deneylerdekinin iki katı. Işınım içeren manyetohidrodinamik simülasyonlar da ısınmada elektrik akımının yol açtığı Joule ısınmasının, plazmadaki sürtünmeye bağlı (viskoz) kayıplara baskın geldiğini doğruladı.

Laboratuvar Güneş'i ne kadar temsil ediyor?

Milimetrelik bir plazmanın Güneş'le karşılaştırılabilmesi, ölçekten bağımsız boyutsuz parametrelere dayanıyor. Makaleye göre deneydeki manyetik Reynolds sayısı yaklaşık 3.000, plazma beta değeri ise 0,1 ile 1 arasında; Ryutov ölçeklemesi denen yöntemle bu değerler koronal yağmurdaki küçük plazma jetlerinin koşullarına eşleniyor. Yazarlar, toplam enerjinin depolanma biçiminin Güneş'tekinden farklı olduğunu açıkça kaydediyor. Yani deney koronanın kendisi değil, belirli bir fiziksel mekanizmanın ölçeklenmiş bir sınaması.

Çalışma, Rayleigh-Taylor kararsızlığını hız farkının ve yoğunluk değişiminin büyük olduğu koronal ortamlarda nano parlama ısınmasının etkili bir sürücüsü olarak öne çıkarıyor ve yeniden bağlanmanın bilinen başka yollarını anlatan kuramları tamamlıyor. Açık soru, bu mekanizmanın Güneş'te ne kadar yaygın işlediği ve nano parlamaların koronanın ısısının ne kadarını karşılayacak sıklıkta gerçekleşip gerçekleşmediği. Bunun yanıtı büyük ölçüde Parker Solar Probe ve Solar Orbiter gibi araçların koronaya yakından bakan ölçümlerinden gelecek; Parker verilerinin Güneş rüzgârındaki manyetik yapılar hakkında son ortaya koyduklarını da aktarmıştık.