Μέρος 17 – Ο Ήλιος, το κοντινό μας άστρο Β’

Σε αυτό το μάθημα ο φοιτητής θα μάθει καλύτερα πώς μελετάμε τον Ήλιο συλλέγοντας όλες τις δυνατές πληροφορίες για αυτόν, τα φυσικά του μεγέθη και κυρίως το φως που προέρχεται από τον Ήλιο. Έτσι διατυπώνουμε θεωρίες βασισμένες στις παρατηρήσεις του Ήλιου και στους νόμους της φυσικής, που είναι οι ίδιοι στη Γη και στο εργαστήριό μας. Διατυπώνουμε θεωρίες που εξηγούν – και μερικές φορές ακόμη και προβλέπουν – τα φαινόμενα που παρατηρούμε στον ήλιο. Στέλνουμε διαστημόπλοια γύρω από τον Ήλιο παρατηρώντας τον. Τον παρατηρούμε σε ραδιοσυχνότητες, το υπέρυθρο, το οπτικό μέρος του φάσματος, την υπεριώδη ακτινοβολία, τις ακτίνες Χ, τις ακτίνες γάμμα, καθώς και την κοσμική ακτινοβολία σωματιδίων, τον ηλιακό άνεμο, τα νετρίνα. Έτσι διαπιστώσαμε ότι το νέφος που δημιούργησε τον Ήλιο περιείχε και κάποια υλικά που έχουν παραχθεί από αστρικές εκρήξεις, οι οποίες έλαβαν χώρα στο παρελθόν, όταν κάποια άστρα εξερράγησαν στο τέλος της ζωής τους, εμπλουτίζοντας το διαστρικό αέριο με νέα υλικά και σχηματίζουν αστέρια, όπως ο Ήλιος, με βαρύτερα χημικά στοιχεία από αυτά που δημιουργήθηκαν αρχικά από τη μεγάλη έκρηξη που δημιούργησε το Σύμπαν. Ο φοιτητής μαθαίνει ότι μπορούμε να υπολογίσουμε τον χρόνο που θα ζήσει ο Ήλιος με βάση τη μάζα και την αρχική χημική του σύνθεση. Ο ήλιος παράγει ενέργεια από θερμοπυρηνικές αντιδράσεις που είναι δυνατές μόνο στο υπερθερμαινόμενο και εξαιρετικά πυκνό εσωτερικό του. Μαθαίνουμε πώς γεννήθηκε ο Ήλιος, πώς εξελίσσεται και πώς θα πεθάνει με βάση τη μάζα του, που καθορίζει την πίεση, την πυκνότητα και τη θερμοκρασία στον πυρήνα του, τα οποία σε συνδυασμό με τη χημική του σύνθεση, καθορίζουν ποιες πυρηνικές αντιδράσεις θα πραγματοποιηθούν και τι ενέργεια θα δημιουργηθεί στον ήλιο κάθε δευτερόλεπτο. Πρόσθετες πληροφορίες προέρχονται από τη στατιστική μελέτη των κατανομών ενός τεράστιου αριθμού αστεριών στο διάγραμμα HR, όπου βλέπουμε πώς ένα αστέρι όπως ο Ήλιος γεννιέται, η ζωή εξελίσσεται και πεθαίνει.
Το ηλιακό στέμμα είναι ένα σημαντικό μέρος του Ήλιου το οποίο επηρεάζει την Γη. Στη βάση του βρίσκεται η μεταβατική ζώνη, η οποία είναι η ενδιάμεση περιοχή του περιβάλλοντος του Ήλιου που οδηγεί από την ατμόσφαιρα στην ηλιακή κορώνα. Η μεταβατική ζώνη είναι η περιοχή της ανώτερης ατμόσφαιρας του Ήλιου όπου η θερμοκρασία αυξάνεται ξαφνικά από μερικές χιλιάδες Kelvin σε εκατοντάδες χιλιάδες, για να γίνει ένα εκατομμύριο στο στέμμα. Τα μαγνητοϋδροδυναμικά κύματα των ακίδων θερμαίνουν το στέμμα. Οι ακίδες είναι μαγνητικές δομές με διάρκεια ζωής περίπου 5 έως 8 λεπτά. Υπάρχουν συχνά περίπου 10.000.000 ακίδες στον Ήλιο και τα κύματα που αναπτύσσονται στις ακίδες θερμαίνουν το στέμμα του Ήλιου. Μετρούμε μια θερμοκρασία 80000 K σε κάποιο ύψος στη μεταβατική ζώνη, επειδή παρατηρούμε τον άνθρακα δύο φορές ιονισμένο, C. III., και λίγο πιο πάνω μετράμε μια θερμοκρασία 300000 K στο στέμμα, επειδή παρατηρούμε ένα ιόν οξυγόνου πέντε φορές ιονισμένο, OVIΗ.
Ηλιόσφαιρα είναι ο τεράστιος όγκος γύρω από τον Ήλιο και το ηλιακό σύστημα που επηρεάζεται από το υλικό που εκπέμπει ο Ήλιος, τον ηλιακό άνεμο και τα εκρηκτικά γεγονότα που ονομάζονται εκτοξεύσεις στεμματικής μάζας. Η κοσμική ακτινοβολία μέσα στην ηλιόσφαιρα και στη Γη
αλλάζει ως αποτέλεσμα των περιοδικοτήτων 11 και 22 ετών στη δραστηριότητα του Ήλιου. Τα μαγνητικά πεδία του Ήλιου μπορούν να αναπαρασταθούν με πολλύπολα. Το μαγνητικό πεδίο του Ήλιου ή μιας ηλιακής κηλίδας μπορεί να αναπαρασταθεί από ένα κυρίαρχο μαγνητικό δίπολο και ένα ή περισσότερα μαγνητικά πολλαπλά. Το γενικό μαγνητικό πεδίο του Ήλιου είναι σε πρώτη προσέγγιση διπολικό Το γενικό διπολικό μαγνητικό πεδίο του Ήλιου είναι πολύ πιο αδύναμο από τα πολύ ισχυρότερα και πιο περίπλοκα μαγνητικά πεδία γύρω από τις ηλιακές κηλίδες που έχουν πεδία χίλιες φορές ισχυρότερα από το διπολικό πεδίο στους πόλους του Ήλιου. Το μαγνητικό πεδίο, βεβαίως, δημιουργείται από ηλεκτρικά ρεύματα μέσα στο πλάσμα,,του ηλίου. Το διπολικό μαγνητικό πεδίο του Ήλιου αλλάζει την πολικότητα κάθε 11 χρόνια με αποτέλεσμα μια συνολική περιοδικότητα μαγνητικών πεδίων και ηλιακών κηλίδων και της ηλιακής δραστηριότητας γενικότερα 22 ετών.
Μετράμε το μαγνητικό πεδίο του Ήλιου με το φαινόμενο Zeeman και το μαγνητικό πεδίο του ηλιακού ανέμου με μαγνητόμετρα πάνω σε διαστημόπλοια. Τα ηλιακά μαγνητικά πεδία είναι ορατά σε κάποιο βαθμό σε εξαιρετικής ποιότητας εικόνες της κορώνας κατά τη διάρκεια των εκλείψεων. Απεικονίζουμε τα μαγνητικά πεδία του Ήλιου σε τρεις διαστάσεις γύρω από αυτόν χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις του ηλεκτρομαγνητισμού, τις εξισώσεις Maxwell και τη μαγνητοϋδροδυναμική. Εκτός από την περιοδικότητα 11 και 22 ετών, ο Ήλιος έχει πιθανώς άλλες μεγαλύτερης διάρκειας περιοδικότητες. Κατά τη διάρκεια του 11ετούς κύκλου δραστηριότητας του ήλιου, η ηλιακή ενέργεια που λαμβάνεται από τη Γη αλλάζει ελαφρά.
Οι ηλιακές κηλίδες είναι παροδικοί σχηματισμοί στον Ήλιο που είναι σκοτεινοί όταν προβάλλονται στο οπτικό μέρος του φάσματος. Σε άλλα μήκη κύματος, όπως η υπεριώδης ακτινοβολία και οι ακτίνες Χ ή οι ακτίνες γάμμα, οι κηλίδες είναι φωτεινές. Οι ηλιακές κηλίδες έχουν χαμηλότερη θερμοκρασία από τον υπόλοιπο ήλιο και σχεδόν πάντα εμφανίζονται σε ζεύγη. Όλα τα ζεύγη των ηλιακών κηλίδων σε κάθε ημισφαίριο έχουν την ίδια πολικότητα. Τα ζεύγη κηλίδων σε κάθε ημισφαίριο του Ήλιου έχουν αντίθετη πολικότητα από τα ζεύγη στο άλλο ημισφαίριο. Τα ζεύγη των ηλιακών κηλίδων σε κάθε ημισφαίριο του Ήλιου αλλάζουν πολικότητα με μια περίοδο 22 ετών, με την περιοδικότητα της ηλιακής δραστηριότητας. Σε περιόδους αιώνων και χιλιετιών, η ηλιακή δραστηριότητα μειώνεται δραματικά για πολύ μεγάλες περιόδους δεκαετιών, με αποτέλεσμα τη δραστική μείωση της ισχύος της Γης που λαμβάνεται από τον Ήλιο και την επακόλουθη μείωση της Γης.