Aktív vidékek

„A Nap az égi világ kapuja. A tudónak kitárul, a tudatlannak bezárul” – ezzel a két és fél ezer éves idézettel kezdte előadását Petrovay Kristóf a Mindentudás Egyeteme kilencedik szemeszterének második előadásán. A hindu Upanisadok idézett passzusa arra mutat rá, hogy milyen lehetőségeket rejt a mai csillagászat számára a bolygónkat éltető Nap. Ez a csillag olyan kapu a világmindenség felé, amelyen keresztül nemcsak távoli bolygókról, hanem saját planétánkról, a Földről is ismereteket szerzünk.

Szívesen büszkélkednek vele a csillagászok, hogy az asztronómia, vagyis a csillagászat a legrégibb egzakt, azaz matematikai formába öntött természettudomány. Ennek oka, hogy az emberi szellemet kezdettől vonzották az olyan alapkérdések, mint a világ szerkezete és keletkezése. Még inkább arról van szó, hogy a csillagos égre tekintve rögtön egyszerű, szabályos matematikai formákat – pontokat, köröket – látunk, amelyek világában állandóság és rend uralkodik. E rend vezetett először arra a felismerésre, hogy a természetet, legalábbis odafent az égen, matematikai jellegű törvények irányítják.
Az ókorban még úgy tűnt, hogy e törvények hatálya nem terjed ki az alsó, földi világra. Az égi világ alsó határa, kapuja tehát a Nap, és az egykor nem csak Indiában népszerű lélekvándorlás pitagoreus értelmezése szerint a lélek akkor törhetett ki az újjászületések köréből, ha a Nap kapuján áthaladt az örökkévaló égi világba, amihez misztikus tudásra volt szükség.
A XVII. század tudományos forradalma szétzúzta az égi és a földi világ ilyetén elkülönülésébe vetett hitet. A legenda szerint a Newton fejére pottyant alma vagy a Galilei által a ferde toronyból leejtett golyók esését ugyanaz a gravitáció mozgatja, amely a bolygómozgás Kepler-féle törvényeit is magyarázza. Az örök, változatlan, szabályos égi és az esetleges földi világ kettőssége helyett az örök és általános érvényű fizikai törvények és az általuk vezérelt, örökös változásban, fejlődésben levő világegyetem kettőssége jellemző. Utóbbi része a Nap is, amely objektív értelemben nincs többé kitüntetett helyzetben, s maga is változásoknak van kitéve.
Tekintsük át, amit a Nap életéről tudunk! Napunk születésekor már kilencmilliárd év telt el az ősrobbanás óta. Régen lezárult a galaxisok kialakulási folyamata, amelynek során a galaxisok nagyobb rendszerekbe, halmazokba rendeződtek. Ez heves mozgásokkal, gyakori ütközésekkel, kölcsönhatásokkal járt együtt, így egyes galaxisok anyagot vesztettek vagy teljesen el is tűntek, mások pedig kisebb társaik „elfogyasztásával” óriási méretűvé híztak. Ez az időszak, az úgynevezett kvazár korszak a Nap születésekor már mintegy hárommilliárd éve lezajlott. Az azóta eltelt időben a galaxisok kölcsönhatásai annyira megritkultak, hogy többségük nyugodt, szabályos szerkezetet vett fel.

Egy meglehetősen átlagos galaxis-szuperhalmaz peremvidékén kilencmilliárd évvel az ősrobbanás után fellángolt egy szupernóva. Ez a robbanás, amely egy csillag életének végét jelezte, nagy mennyiségű nehéz elemet szórt szét a környező csillagközi térbe, amely jórészt porszemekké kondenzálódott, és ez a por elkeveredett egy közeli csillagközi gáz- és porfelhővel. Ez az anyaghalmaz később tömörülni kezdett, s így megindult az a csillagképződési folyamat, amelynek során Napunk is kialakult.
Az anyag néhány százezer évnyi tömörülés után addig hevült, míg belső nyomása elég magas lett ahhoz, hogy ellenálljon a további gravitációs összehúzódásnak. Az így létrejött ős-Nap már igen fényesen világított. Eleinte ez még nem a „saját” fénye volt, csak a korábbi gyors összehúzódás keltette hő, majd több millió év elteltével magjában kialakultak a feltételek a hidrogénatommagok héliummagokká történő összeállásához, fúziójához. Ez már elég energiát szolgáltatott ahhoz, hogy pótolja a sugárzással elveszített energiát, így a Nap végre állandó állapotba jutott. Ma 4,5 milliárd éve tart ez az állapot, s várhatóan még körülbelül ugyanennyi ideig folytatódni fog.
E 4,5 milliárd év során a Nap magjában levő hidrogén szerkezete fokozatosan átalakult. A Nap fényessége jelentősen nőtt; évmilliárdokkal ezelőtt csupán a jelenleginek hetven százaléka volt. Ha fényessége ma is ilyen kicsi lenne, a földi óceánok fenékig befagynának. Felmerül a kérdés, hogy a földtörténeti múltban miért nem fagytak be a tengerek. Kőzetmintákba zárt ősi légkörmaradványok és planetológiai számítások szerint a földi légkör öszszetétele a régmúltban erősen különbözött a maitól: főként szén-dioxidból állt. A szén-dioxid-atmoszféra üvegházhatása kompenzálhatta egykor a Nap alacsonyabb fényerejét, lehetővé téve a folyékony víz fennmaradását a Földön. (Mely vizet egyébként különböző égitestek, meteorok, kisbolygók, üstökösök „cipeltek” planétánkra, az ős-Föld még száraz világ volt.)
A Nap tehát számunkra már nem a változó földi világ fölött álló örök változatlan égitest. Sokkal inkább kapu, amely új, a Földön is hasznosítható fizikai felfedezésekhez vezet, valamint híd a világegyetem sokkal távolibb csillagai felé, amelyeken hasonló folyamatok zajlanak, mint amilyeneket a Napon közvetlen közelről tanulmányozhatunk.
„Semmi sem egyszerűbb egy csillagnál” – mondotta a múlt század egyik legnagyobb asztrofizikusa, Sir Arthur Eddington. Úgy értette, hogy minden csillag alapjában véve egy gázgömb, amelyet a gravitáció összehúzni, a belső nyomás szétvetni igyekszik. E két erő egyensúlya meghatározza a szerkezetét. Mindeközben a csillagok éppannyira tekinthetők különbözőknek, akár az emberek. A Nap tüzetes vizsgálatával más csillagok „lelki finomságairól” talán nem, de anatómiájukról annál többet megtudhatunk.
A legtöbb újat a Nap az úgynevezett magneto-hidrodinamika területén tanítja nekünk. Ez a tudományág a Nap anyagához hasonló, elektromosan vezető közegek áramlástana. A Nap anyagában a magneto-hidrodinamikai folyamatok olyan széles skáláját vizsgálhatjuk, mint egyetlen földi laboratóriumban sem. A plazma viselkedéséről szerzett empirikus ismereteink jelentős hányada a Nap megfigyeléséből ered. Mindennek egy napon óriási jelentősége lehet az emberiség számára, hiszen ezek a folyamatok állnak a fúziós energia hátterében. A szabályozott hidrogénfúzió, amelynek révén elvileg vízből termelhetnénk korlátlan mennyiségben energiát, egyszer a Föld energiagondjait oldhatja meg. Az első világméretű együttműködéssel épülő energiatermelő fúziós reaktor a tervek szerint 2016-ra készül el a dél-franciaországi Cadarache-ban, az ipari méretű fúziós energiatermelés pedig talán századunk derekára valósulhat meg.

Párhuzamosan a földi jelenségek mögött álló univerzális fizikai törvények kimutatásával éppen a Nap első távcsöves megfigyelései döntötték meg az égi világ változatlanságába vetett hitet. Galilei és kortársai 1610-ben fordították először teleszkópjukat a Nap felé, és kitűnt, hogy annak arcán változó fekete és szürke foltok és fáklyák vannak. A naptevékenység jelenségeinek ilyen csoportosulásai az aktív vidékek, amelyek általában egy-két hétig élnek, olykor azonban akár több hónapig is. (Az aktív vidékek többsége kétosztatú, bipoláris szerkezetet mutat, vagyis két jól elkülönülő alcsoportra oszlik, amelyek mindegyikét egy-egy nagy napfolt uralja, körülötte több kisebb folttal és fáklyamezővel.) Később kiderült, hogy a foltok néha nem változnak. Az ilyen hosszú, szinte teljesen foltmentes időszakokat csillagunk életében ma főminimumoknak nevezzük, ez a konkrét időszak pedig a Maunder-minimum nevet kapta. Ma már azt is tudjuk, hogy a jelenséget 11 éves periodicitás jellemzi.
A greenwichi obszervatórium 1874-ben kezdte meg a Nap rendszeres fotografikus megfigyelését és a felvételek alapján a foltok helyzetének és területének kimérését, valamint az eredmények évenkénti publikálását. Ezt a fontos munkát, amely alapvető jelentőségű a napfoltok vizsgálatában, 1977-től az MTA debreceni Konkoly-Thege Miklós Csillagászati Kutatóintézetének napfizikai obszervatóriuma vette át az időközben bezárt greenwichi obszervatóriumtól.
Petrovay Kristóf egy spanyol kollégájával a Debrecenben mért adatok felhasználásával dolgozta ki azt a modelljét, amely szerint a napfoltok bomlását a környező turbulens áramlások erodáló hatása okozza. A Nap felszínén ugyanis fortyogó, szemcsés szerkezetű, úgynevezett granulációs áramlások vannak, amelyeket a Nap mélyén termelt hő hajtja. A granuláció folytonosan kisebb-nagyobb darabokat „harapdál ki” a napfoltokból, hasonlóan ahhoz, ahogyan a tenger hullámzása erodálja a partot. A modell szerint a napfoltok bomlási üteme, vagyis az adott idő alatt bekövetkező területvesztés arányos a folt sugarának és korábban elért maximális sugarának hányadosával. Ez leírja a napfoltok átlagos viselkedését, először adva megnyugtató magyarázatot a napfoltbomlást szabályozó törvényszerűség 400 éves problémájára.
A napfoltokban a Nap és a Föld általános mágneses terénél több ezerszer erősebb, függőleges irányú mágneses tér mérhető. Az erős mágneses tér a napfolt lényege. Már láttuk, hogy a Nap anyaga forró ionizált gáz, plazma. A plazma és a mágneses tér kölcsönhatását leíró tudományág, a magneto-hidrodinamika legfontosabb törvénye az úgynevezett befagyási törvény, amely szerint a plazma áramlása során nem keresztezheti a mágneses erővonalakat. Ehelyett az áramló plazma a gyenge mágneses tereket magával sodorja, míg az erős mágneses tér gátolja az áramlást. Az utóbbi hatás, tehát a napfoltokban levő erős mágneses tér akadályozza meg azokat a fortyogó áramlásokat, amelyek kiszállítanák a hőt a Nap belseje felől; ezáltal a napfoltok anyaga a környezethez képest lehűl.
Napfoltokat tehát ott látunk, ahol a napfelszínt erős mágneses erővonalcső (fluxuscső) metszi át. Aktív vidékek ott figyelhetők meg, ahol a Nap felszíne alól mágneses erővonalköteg tolul, „púposodik” ki a légkörbe. Mire a felszín fölé jut, az erővonalköteg több szálra foszlik, így az aktív vidéken több kisebb-nagyobb napfoltot, mágneses elemet is látunk. Ezek mozgása azonban arra utal, hogy az egyes szálak valamivel a felszín alatt egységes erővonalköteggé egyesülnek.
Honnét ered ez az erős mágneses tér, amely a felszín fölé tolul? A kérdésre a magneto-hidrodinamika speciális fejezete, a dinamóelmélet keresi a választ. A dinamó olyan eszköz, amely képes a mozgási energiát elektromágneses energiává alakítani, így egy tetszőlegesen gyenge kezdeti mágneses teret felerősíteni. Ehhez speciális mozgásra van szükség. A természetes körülmények között megvalósuló dinamókban a vezető közegben zajló áramlások maguktól, csupán a rájuk ható erők hatása alatt képesek a mágneses tér fenntartására. A naptevékenységet okozó erős mágneses tér létrejötte azzal magyarázható, hogy a Nap nem merev testként forog: a sarkvidékeken a forgás mintegy 30 százalékkal lassúbb, mint az Egyenlítőn. A differenciális forgás a felszín alatti elég vastag tartományra jellemző; ennél mélyebben, ahol a fortyogó hőáramlások nem működnek, a Nap már mereven forog. A két tartomány között van egy átmeneti réteg, amelynek felső határa a tachoklína. Mivel a tachoklína igen vékony, a differenciális rotáció éppen itt a legerősebb, vagyis két közeli pont között itt léphet fel a legnagyobb sebességkülönbség. A differenciális rotáció és a befagyás együttesen vezet az aktív vidékek kialakulásához.
A napfoltok és napfáklyák nem egyedüli megnyilvánulásai a naptevékenységnek. Az aktív vidékek fölött, a naplégkör magasabb rétegeiben még látványosabb jelenségek játszódnak le, amelyek azonban az emberi szem által érzékelt hullámhossztartományban nem vehetők észre. A magasabb hőmérsékletű anyag pedig rövidebb hullámhosszokon sugároz. Ezt a jelenséget használjuk ki a naplégkör magasabb szintjeinek vizsgálatára. A látható napfelszín hőmérséklete mintegy 6000 fokos. Ha azonban rövidebb hullámhosszokon vizsgáljuk a Napot, egyre forróbb anyag sugárzását érzékeljük, míg végül a röntgentartományban már a több millió fokos napkorona sugárzását látjuk.

A napkoronában a plazma dinamikáját a mágneses tér uralja. Az itt megfigyelhető számos jelenség között a legfeltűnőbbek közé tartoznak a protuberanciák, a napkoronában úszó, de annál sűrűbb és hűvösebb felhők. Ezek anyaga néha feldobódik a légkör mélyebb rétegeiből vagy kicsapódik a koronából, lehull vagy esetleg éppenséggel kidobódik a Napból. Az utóbbi esetben a kidobott anyag koronakitöréssé válik. Ezek a kilövellések mágnesezett plazmafelhők alakjában utaznak kifelé a bolygóközi térbe, ami a Földön mágneses viharokat, felső légköri zavarokat, sarki fényjelenséget okozhat.
A naptevékenység leglátványosabb jelenségei a flerek, amelyeket – nem túl szerencsés módon – napkitörésnek is neveznek. Fler idején a napfelszín egy darabja néhány perc leforgása alatt rendkívül felhevül, kifényesedik. A jelenség oka a mágneses tér gyors átrendeződése, a mágneses erővonalak átkötődése. A fler szintén hatással lehet a Földre.
Ebben az előadásban csupán arra volt lehetőség, hogy néhány példát ismerjünk meg a Napon megfigyelhető magneto-hidrodinamikai, plazmafizikai jelenségek elképesztően széles skálájából. Okunk van azt hinni, hogy a Napon látott, számunkra gigászinak tűnő plazmajelenségek csak kicsinyített modelljei, halvány visszfényei azoknak a folyamatoknak, amelyek fiatalabb, aktívabb csillagokon játszódnak le vagy éppen olyan extrém égitesteken, mint az erősen mágneses neutroncsillagok. A Nap tehát ma is kapu a csillagászok számára, amelyen át a távoli univerzum folyamataiba nyerhetünk bepillantást.

A fenti szöveg a szeptember 25-én elhangzott előadás rövidített változata. Megtekinthető 30-án (szombaton) 9.30-kor az MTV és 10.40-kor a Duna Televízió műsorán. A következő előadást október 2-án 19.30-kor a Jövő Háza Teátrumban (Budapest II., Fény utca 20–22.) Szabó Miklós tartja Légiuralom-elmélet, légi fegyverkezés – a Magyar Királyi Légierő az 1930-as években címmel. A részvétel ingyenes, az előadások teljes szövegét a hozzászólásokkal és a vitával együtt a www.mindentudas.hu weblapon találják meg az érdeklődők.