Το στέμμα του ήλιου
Ένα από τα πιο ανεξήγητα φαινόμενα του γειτονικού μας άστρου

Άρθρο, Μάιος 2003

Είναι ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια στην ηλιακή φυσική. Η θερμοκρασία στην επιφάνεια του ήλιου, την φωτόσφαιρα, να είναι μόλις 6.000^ο Κελσίου, ενώ όσο απομακρυνόμαστε από τη φωτόσφαιρα η θερμοκρασία αυξάνεται αντί να μειώνεται. Στη ζώνη των 3.000 km μεταξύ της φωτόσφαιρας και του στέμματος, η θερμοκρασία ανεβαίνει από τους 6.000^ο σε πάνω από 1.000.000 βαθμούς Κελσίου.

Το στέμμα του ήλιου, η περιοχή μετά τη χρωμόσφαιρα, γίνεται ορατή μόνο στις ολικές εκλείψεις. Η λαμπρότητά της συγκρίνεται με αυτή της πανσελήνου. Είναι η περιοχή όπου συμβαίνουν εκρήξεις με αποτέλεσμα την απελευθέρωση τεράστιων ποσών ύλης στο διαπλανητικό χώρο με ταχύτητες, που φτάνουν μέχρι και 2.000km/sec. Αυτά τα τεράστια ποσά ενέργειας που κατευθύνονται προς τη Γη, δημιουργούν τις ηλιακές καταιγίδες οι οποίες είναι δυνατό να βλάψουν συστήματα υψηλής τεχνολογίας. 

Όμως η ύπαρξή του στέμματος κρύβει πολλά μυστήρια.

Δεξιά: Η εικόνα δείχνει, κατά τη διάρκεια μιας ολικής ηλιακής έκλειψης στις 11 Αυγούστου 1999, το φως του ηλιακού στέμματος όπως φαίνεται από τη Γη. Ο σκοτεινός ουρανός κατά τη διάρκεια της έκλειψης περιέχει και κάποιο μπλε φως, που διασκορπίζεται από το φωτεινό στέμμα και από τον ηλιοφώτιστο ορίζοντα.

Μυστήριο 130 χρόνων

Για πολλούς αιώνες, το στέμμα ή κορώνα ήταν απλά μια μυστήρια μαργαριταρένια λευκή πυράκτωση γύρω από τον ήλιο και το φεγγάρι κατά τη διάρκεια μιας ολικής έκλειψης. Μέχρι τον 17ο και 18ο αιώνα οι αστρονόμοι ήταν σίγουροι ότι το στέμμα περιέβαλε τον ήλιο και το φεγγάρι.

Αλλά κατά τη διάρκεια της ολικής ηλιακής έκλειψης της 7ης Αυγούστου του 1869 παρατήρησαν οι αστρονόμοι μια ασθενική γραμμή εκπομπής στο πράσινο μέρος του φάσματος του στέμματος. Το μήκος κύματος της γραμμής δεν αντιστοιχούσε σε καμιά από τις γνωστές γραμμές στα φάσματα των στοιχείων της Γης. Αυτή η ανακάλυψη ήταν ο πρώτος υπαινιγμός ότι το στέμμα ήταν κάτι πραγματικά ενδιαφέρον. 

Μερικοί επιστήμονες σκέφτηκαν ότι μπορεί να είναι ένα νέο στοιχείο που το ονόμασαν μάλιστα κορώνειο. Άλλοι πείστηκαν ότι ήταν απλά η φασματική υπογραφή ενός ήδη γνωστού στοιχείου, αλλά ότι το μήκος κύματος της "πράσινης γραμμής" δεν είχε μετρηθεί κατάλληλα. Για τα επόμενα 70 χρόνια οι ηλιακοί αστρονόμοι παρακολούθησαν τις εκλείψεις και έκαναν ολοένα και περισσότερο ακριβείς παρατηρήσεις του φάσματος του στέμματος. Και τελικά απορρίφθηκαν τα στοιχεία όπως το αργό, το οξυγόνο, και το ασβέστιο. Στο τέλος, το 1939, το μυστήριο λύθηκε όταν έδειξαν οι Grotrian και Edlen ότι η πράσινη γραμμή στο φάσμα του στέμματος προερχόταν από ένα είδος ιδιαίτερα ιονισμένου σιδήρου, του Fe XIV, του σιδήρου δεκατέσσερα.

Η λύση ενός μυστηρίου -- η προέλευση της πράσινης γραμμής -- οδήγησε και σε ένα άλλο περίπλοκο αίνιγμα. Ο Fe XIV είναι ένα άτομο σιδήρου που έχει χάσει 13 από τα 26 τροχιακά ηλεκτρόνια του. Για να  απογυμνωθεί ο σίδηρος από τόσα πολλά ηλεκτρόνια, απαιτείται ένα τεράστιο ποσό ενέργειας -- ένα τέτοιο ιόν μπορεί να υπάρξει μόνο σε ένα πολύ καυτό αέριο. Προσεκτικές μελέτες των φασμάτων που έχουν ληφθεί κατά τη διάρκεια των εκλείψεων δείχνουν ότι η θερμοκρασία του στέμματος είναι περίπου δύο εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου εκατοντάδες φορές θερμότερο από την επιφάνεια του ήλιου. Δεδομένου ότι το στέμμα ψύχεται γρήγορα, χάνοντας τη θερμότητά του σαν ακτινοβολία και με τον ηλιακό άνεμο, από κάπου πρέπει να αντλεί την ενέργεια του. Αλλά από πού άραγε;

Όπως είπαμε πιο πάνω μυστήριο καλύπτει το γεγονός ότι ενώ ο ήλιος στην επιφάνειά της φωτόσφαιρας έχει θερμοκρασία που φτάνει μόνο στους 6000 Κ η κορώνα του έχει θερμοκρασία 2.000.000 Κ.

Οι εξηγήσεις που δίνονται είναι οι εξής:

1. Θεωρία των κυμάτων θερμότητας: οι μαγνητικές γραμμές μεταφέρουν κύματα θερμότητας από την κοχλάζουσα επιφάνεια του ήλιου τα οποία θερμαίνουν τα ηλεκτρικά φορτισμένα αέρια της κορόνας σε τεράστιες θερμοκρασίες.

2. Θεωρία συστροφής μαγνητικών γραμμών: οι μαγνητικές γραμμές του πεδίου του ήλιου συστρέφονται λόγο της διαφορετικής περιστροφής του και τελικά σπάνε απελευθερώνοντας την ενέργειά τους θερμαίνοντας ραγδαία τα αέρια της κορόνας του ήλιου.

3. Λόγω μικροσκοπικών ηλιακών εκλάμψεων

Πολλές θεωρίες αλλά λίγα στοιχεία

Αριστερά: Υλικό εκρήγνυται από ένα ηλιακό στέμμα, σε λίγα μόνο λεπτά. Είναι οι γνωστές εκλάμψεις. Οι μικροεκλάμψεις όμως είναι εκατοντάδες φορές μικρότερες από αυτές και πολυάριθμες.

Οι ηλιακές εκλάμψεις είναι η απελευθέρωση σε σύντομο χρονικό διάστημα τεράστιων ποσών ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας, κάτι σαν τις ηλεκτρικές εκκενώσεις της δικιάς μας ατμόσφαιρας σε μια καταιγίδα. Μια χαρακτηριστική ηλιακή έκλαμψη απελευθερώνει 10²⁷ έργια ανά δευτερόλεπτο, ισοδύναμο με εκατομμύρια βόμβες υδρογόνου, των 100 μεγατόνων, που εκρήγνυνται συγχρόνως. Η ενέργεια αυτή κατανέμεται σε όλα τα μήκη κύματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.

Αν και οι ηλιακές εκλάμψεις είναι ισχυρές, δεν υπάρχουν όμως αρκετές για να διατηρήσουν την υψηλή θερμοκρασία του στέμματος.

Όμως, μερικοί ηλιακοί φυσικοί, όπως οι Ron Moore και Jason Porter της NASA, υποψιάζονται ότι υπεύθυνες για το φαινόμενο είναι οι μικροσκοπικές (μικροεκλάμψεις) ηλιακές εκλάμψεις. Οι μικροεκλάμψεις είναι μικρές εκρήξεις που απελευθερώνουν ενέργεια λιγότερο από το 1% της ενέργειας μιας κανονικής έκλαμψης. Αν και είναι σχετικά μικρές, οι μικροεκλάμψεις μπορεί να είναι τόσο πολλές που στο σύνολο τους θα μπορούσαν να δώσουν την ενέργεια που απαιτείται για να κρατήσει το στέμμα υπέρθερμο.

Δυστυχώς, οι μικροεκλάμψεις είναι τόσο μικρές που είναι δύσκολο να τις δούμε με τα τρέχοντα τηλεσκόπια. Ο αριθμός των μικροεκλάμψεων που έχουμε παρατηρήσει δεν συνεισφέρει αρκετά για να δικαιολογήσουμε την ενέργεια του στέμματος αλλά θα μπορούσαν να υπάρχουν πολλές εξασθενημένες που δεν μπορούν να ανιχνευθούν ακόμα. Ένας δορυφόρος ο TRACE παρέχει σήμερα την καλύτερη ευαισθησία και ανάλυση για αυτές τις παρατηρήσεις. Όμως οι ηλιακοί φυσικοί αναμένουν με ενδιαφέρον το 2004, όταν η Ιαπωνία θα προωθήσει στο διάστημα το Solar B, με μια ισχυρότερη σειρά τηλεσκοπίων για να εξετάσει αυτές τις θεωρίες.

Ένας άλλος τρόπος για να θερμανθεί το στέμμα περιλαμβάνει τα μαγνητικά κύματα Alfvén. Η ηλιακή ατμόσφαιρα διαπερνάται με μαγνητικά πεδία που είναι ιδιαίτερα έντονα γύρω από ομάδες ηλιακών κηλίδων. Ο ήλιος είναι ένα δυναμικό υπέρθερμο σύστημα, έτσι που οι γραμμές μαγνητικών πεδίων συνεχώς να μεταβάλλονται και να εκτινάσσονται πέρα δώθε. Αυτές οι ταλαντώσεις στέλνουν κύματα του μαγνητισμένου πλάσματος (ιονισμένο αέριο) να διαδίδεται εξωτερικά στο στέμμα.

Ένα μαγνητικό κύμα Alfvén ξεκινάει στην πυκνή ατμόσφαιρα, κοντά στη φωτόσφαιρα, και κινείται προς τα πάνω, όπου συναντάει το στέμμα. Εκεί, στο ασθενές αέριο, το πλάτος του αυξάνεται. Τελικά το κύμα σπάζει και η ενέργειά του μετατρέπεται σε θερμική, θερμαίνοντας το αέριο του στέμματος.

Ο David Hathaway της NASA και οι συνάδελφοι του έχουν μελετήσει τις ακουστικές δονήσεις στην ατμόσφαιρα του ήλιου με περιόδους λιγότερο από 1 λεπτό. Διαπιστώνουν ότι η συνολική ενέργεια σε τέτοια κύματα δεν μπορεί να μεταδώσει αρκετή θερμότητα στο στέμμα για να το κρατήσει θερμό. Όμως αν υπάρχει αρκετή ενέργεια στα ηχητικά κύματα μικρής περιόδου και εάν μπορούν να την μεταδώσουν όλη στο στέμμα -- δύο πολύ μεγάλα εάν -- τότε τα ηχητικά κύματα θα μπορούσαν να είναι μια σημαντική πηγή θέρμανσης.

Είναι βέβαια γνωστό, από τις ημέρες του Faraday και του Maxwell, ότι εάν ένας μαγνήτης κινείται κατάλληλα κοντά σε ένα σύρμα, τότε δημιουργείται ένα ρεύμα στο σύρμα. Το ίδιο πράγμα πραγματοποιείται και στην ατμόσφαιρα του ήλιου. Τα ταλαντούμενα μαγνητικά πεδία παράγουν ρεύματα που διατρέχουν δια μέσω των ιδιαίτερα ιονισμένων αερίων πάνω από τη φωτόσφαιρα και μέσα στο στέμμα.

Πώς όμως θερμαίνει το στέμμα; Μάλλον όπως η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα κατά τη διάρκεια του φαινομένου Joule.  Όμως, οι επιστήμονες ξέρουν ότι δεν μετατρέπεται εξ' ολοκλήρου η ηλεκτρική ενέργειας στο στέμμα, αλλά δεν μπορούν να είναι βέβαιοι για το ποσοστό.

Όπως είδαμε υπάρχουν τρεις ιδέες για το τι μπορεί να θερμάνει το στέμμα. Οι μικροεκλάμψεις, τα μαγνητικά και ακουστικά κύματα, καθώς και η μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας είναι όλες τους καλοί υποψήφιοι, αλλά η παρατηρηθείσα ενεργειακή ροή στο στέμμα, από κάθε έναν από αυτούς τους μηχανισμούς, είναι πολύ χαμηλή για να αποτελέσει την αιτία της στεμματικής θέρμανσης. Απαιτούνται επομένως περισσότερα και  καλύτερα στοιχεία για να αποκαλύψουν τελικά τον ένοχο.

Συνιστώσες του στέμματος

Το στέμμα που βλέπουμε στην ορατή περιοχή του φάσματος ονομάζεται και στέμμα λευκού φωτός. Η ακτινική δομή του στέμματος αλλάζει περιοδικά με το χρόνο ακολουθώντας την περιοδικότητα των ηλιακών κηλίδων και στο μέγιστο της ηλιακής δραστηριότητας έχει ακτίνες γύρω από τον Ήλιο, ενώ στο ελάχιστο της ηλιακής δραστηριότητας έχει ακτίνες μόνο κοντά στον ισημερινό του ή πιο σωστά κοντά στον μαγνητικό ισημερινό του. Κατά καιρούς εμφανίζονται παροδικά φαινόμενα στη φωτόσφαιρα αλλά και στο στέμμα.

Στις ενεργές περιοχές, που συνήθως αποτελούνται από ένα ή περισσότερα ζεύγη ηλιακών κηλίδων με αντίθετες μαγνητικές πολικότητες, αναπτύσσονται μαγνητικές δυναμικές γραμμές με σχεδόν διπολική μορφή. Γύρω και πάνω από αυτές τις κλειστές διπολικές γραμμές, που συνδέουν δύο γειτονικές αντίθετης πολικότητας κηλίδες, αναπτύσσονται εφαπτομενικά προς αυτές δυναμικές γραμμές που εκτείνονται σε μεγαλύτερα ύψη μέσα στο στέμμα και συνεχίζουν μέσα στο διαπλανητικό διάστημα.

Κάποιες μαγνητικές δυναμικές γραμμές, κυρίως διπολικής δομής, είναι ορατές επειδή περιέχουν παγιδευμένα ηλεκτρικά φορτισμένα σωμάτια, τα οποία καθώς περιστρέφονται ταχύτατα γύρω από τις μαγνητικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου που είναι ισχυρό σε αυτές τις περιοχές, ακτινοβολούν (είναι κυρίως τα ηλεκτρόνια).

Έτσι, οι μαγνητικές δυναμικές γραμμές γίνονται φωτεινές και αποτελούν χαρακτηριστικές δομές του στέμματος που φαίνονται στην διάρκεια των εκλείψεων, αλλά και όταν βλέπουμε τον Ήλιο με τα ειδικά όργανα, τους στεμματογράφους.

Η ακτινοβολία που εκπέμπουν τα ηλεκτρόνια είναι ορατή κυρίως στις ακτίνες Χ και στο υπεριώδες, αλλά και στα ραδιοκύματα, περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος που δεν εκπέμπει πολύ ο Ήλιος από τις άλλες περιοχές του, όπου δεν υπάρχουν πολλά παγιδευμένα σωμάτια όπως συμβαίνει στις διπολικές.

Επίσης, στο στέμμα συναντάμε τις στεμματικές οπές. Είναι περιοχές χωρίς μαία εκπομπή ακτινών Χ και βρίσκονται σε περιοχές που χαρακτηρίζονται από ανοικτές μαγνητικές γραμμές σε αντίθεση με την υπόλοιπη δομή του στέμματος που χαρακτηρίζονται από βρόχους πλάσματος παγιδευμένους γύρω από κλειστές μαγνητικές γραμμές οι οποίες συνδέουν περιοχές αντίθετης πολικότητας που αρχίζουν και καταλήγουν στη φωτόσφαιρα.

Οι στεμματικές οπές χαρακτηρίζονται από χαμηλή θερμοκρασία και πυκνότητα σε σύγκριση με τις τιμές που χαρακτηρίζουν το στέμμα πράγμα που δείχνει ότι η ενέργεια που τους παρέχεται από τη φωτόσφαιρα μέσω των ακουστικών κυμάτων καταναλίσκεται στην επιτάχυνση των σωματιδίων του ηλιακού ανέμου.

Οι τρεις συνιστώσες της οπτικής ακτινοβολίας

Διακρίνουμε μία άλω που οφείλεται σε διάχυτη ακτινοβολία από τα φωτόνια της φωτόσφαιρας που σκεδάζονται κατά Thomson από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του στέμματος μέχρι αποστάσεις 2 ακτινών Ηλίου. Αυτή η συνιστώσα του στέμματος ονομάζεται στέμμα Κ (από το Kontinuierlich, που σημαίνει συνεχές στα γερμανικά) ή στέμμα ηλεκτρονίων, επειδή τα ηλεκτρόνια σκεδάζουν το φως που βλέπουμε σε αυτή τη συνιστώσα του στέμματος. Το στέμμα Κ είναι ορατό μέχρι απόσταση 2,3 ακτινών Ηλίου. Το φως αυτό δεν προέρχεται από το στέμμα, προέρχεται από τη φωτόσφαιρα και ένα φωτόνιο από κάθε εκατομμύριο φωτόνια σκεδάζεται και έρχεται σε μας, αλλά και μας επιτρέπει να δούμε το στέμμα.

Το φαινόμενο αυτό της σκέδασης είναι ίδιο με τη σκέδαση του φωτός που βλέπουμε από μία ηλιακή δέσμη που μπαίνει από μία μικρή σχισμή σε ένα σκοτεινό δωμάτιο και μας επιτρέπει να δούμε τη δέσμη του φωτός. Η σκέδαση του φωτός στο δωμάτιο γίνεται από σωμάτια σκόνης που αιωρούνται στον αέρα και τα οποία αν και είναι αραιότατα, κάνουν ορατή τη δέσμη. Αν βάλουμε στο δωμάτιο καπνό τσιγάρου ή σκόνη η δέσμη φαίνεται εντονότερα.

Το φως του στέμματος Κ είναι πολωμένο και δεν εμφανίζει γραμμές απορρόφησης στο φάσμα του, διότι οι θερμικές ταχύτητες είναι τόσο μεγάλες, που η κάθε γραμμή πλαταίνει τόσο πολύ, ανακατεύεται με τις διπλανές της και ουσιαστικά εξαφανίζεται μέσα σε ένα υπόβαθρο από αλληλοαναιρούμενες γραμμές σχηματίζοντας πρακτικά ένα συνεχές.

Μία ακόμη συνιστώσα του στέμματος ονομάζεται στέμμα F (από το όνομα του Γερμανού φυσικού Fraunhofer) και οφείλεται σε σκέδαση του φωτός της φωτόσφαιρας από την σκόνη γύρω από τον Ήλιο σε αποστάσεις μεγαλύτερες από 2.3 ακτίνες Ηλίου. Αυτή η συνιστώσα δεν είναι πολωμένη. Συνέχεια αυτής της συνιστώσας είναι το ζωδιακό φως που παρατηρούμε στην εκλειπτική πριν την ανατολή ή μετά τη δύση του Ηλίου. Το στέμμα F δε σχετίζεται με τον Ήλιο.

Υπάρχει επίσης η συνιστώσα που ονομάζεται στέμμα Ε (από την λήξη Εmission, εκπομπή) και είναι φως που εκπέμπει το ίδιο το στέμμα με τα ιόντα που περιέχει, τα οποία είναι συχνά πολύ ιονισμένα λόγω της τεράστιας θερμοκρασίας. Τα βαρέα ιόντα έχουν σχετικά μικρές ταχύτητες και η πλάτυνση Doppler των φασματικών γραμμών δεν είναι αρκετά μεγάλη για να εξαφανισθούν, σε αντίθεση με ό,τι γίνεται με τις γραμμές του στέμματος K.

Οι γραμμές αυτές είναι πολυάριθμες και δεν παρατηρούνται στα εργαστήρια, επειδή σε γήινες συνθήκες έχουν πολύ μικρό χρόνο ζωής τόσο πολύ ιονισμένα άτομα. Για αυτό δεν είχε γίνει αντιληπτή η προέλευση τους και για πολλά χρόνια θεωρήθηκε, λανθασμένα, ότι προέρχονταν από κάποιο ανύπαρκτο χημικό στοιχείο, που του δώσανε και όνομα, το είπαν "κορώνειο". Η πράσινη γραμμή, του 13 φορές ιονισμένου σιδήρου Fe XIV, παρατηρήθηκε στη διάρκεια έκλειψης το 1869 από τους W.Harkins και C.Young.

Χρειάστηκαν 70 έτη για να ερμηνευθεί από τον W.Grotian και αργότερα από τον B.Elden ότι προέρχονται από βαρέα πολλαπλά ιονισμένα στοιχεία σε πολύ χαμηλή πυκνότητα. Στις υψηλότατες θερμοκρασίες του ενός ή δύο εκατομμυρίων Kelvin και χαμηλότατες πυκνότητες του στέμματος, σχετικώς ελαφρά χημικά στοιχεία όπως είναι το οξυγόνο, το άζωτο ή ο άνθρακας είναι πλήρως ιονισμένα και δεν παράγουν φασματικές γραμμές, σε αντίθεση με ό,τι συμβαίνει με τα Βαρέα ιόντα, όπως είναι αυτά του σιδήρου.

Το στέμμα ανιχνεύεται και σε άλλες περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, στις οποίες δεν εκπέμπει η λαμπρότατη φωτόσφαιρα, όπως στις ακτίνες Χ, στο υπεριώδες και στα ραδιοκύματα. Ο Ήλιος παρατηρείται σε ακτίνες-X και το υπεριώδες με διαστημόπλοια όπως είναι το SOHO, ενώ παρατηρείται σε ραδιοκύματα με επίγεια ραδιοτηλεσκόπια, όπως είναι το ARTEMIS IV, που κατασκευάστηκε με συνεργασία του ΤΕΙ Λαμίας,  του Πανεπιστημίου Αθηνών και το Αστεροσκοπείο Παρισιού. Λειτουργεί δε στο δορυφορικό σταθμό Θερμοπυλών και λαμβάνει φάσματα του Ήλιου σε ραδιοκύματα.

Η ένταση της ακτινοβολίας σε ακτίνες-Χ είναι ανάλογη της πυκνότητας των ηλεκτρονίων στο τετράγωνο, για αυτό το λόγο απεικονίζονται οι μαγνητικές δομές επειδή σε αυτές βρίσκονται παγιδευμένα ταχέα ηλεκτρόνια που ακτινοβολούν σε ακτίνες Χ και ραδιοκύματα.

Σημείωση: Οι παρατηρήσεις του στέμματος γίνονται με ένα ειδικό όργανο το στεμματογράφο. Τον πρώτο στεμματογράφο έφτιαξε ο Γάλλος αστρονόμος του αστεροσκοπείου των Παρισίων Bernard Lyot το 1931. Ένας στεμματογράφος είναι βασικά ένα τηλεσκόπιο με ένα σκοτεινό δίσκο που τοποθετείται μπροστά στον προσοφθάλμιο φακό του τηλεσκοπίου και επιτρέπει την διάβαση του φωτός που προέρχεται από το στέμμα, ενώ εμποδίζει το φως που έρχεται από τον πολύ φωτεινότερο δίσκο του Ηλίου.

Αναφορά: Σελίδες της NASA, Φυσικός Κόσμος Άρθρο Ξ.Μουσά  (τ.11)