Para peneliti di MIT dan institusi lain berpendapat bahwa medan magnet matahari mungkin berasal dari ketidakstabilan di lapisan terluarnya, bukan di dalam, seperti yang diperkirakan secara tradisional. Model mereka menunjukkan bahwa gangguan pada 5 hingga 10 persen teratas matahari dapat menghasilkan pola magnet yang realistis, menantang keyakinan sebelumnya dan berpotensi meningkatkan perkiraan aktivitas matahari. Kredit: SciTechDaily.com
Fenomena matahari seperti bintik matahari dan suar bisa jadi disebabkan oleh medan magnet yang dangkal, menurut temuan baru yang mengejutkan yang dapat membantu para ilmuwan memprediksi cuaca luar angkasa.
Permukaan matahari berkilauan dengan bintik matahari dan suar, produk medan magnet matahari yang diciptakan oleh mekanisme yang dikenal sebagai aksi dinamo. Secara tradisional, ahli astrofisika percaya bahwa medan magnet ini terbentuk jauh di dalam bintang. Namun, sebuah penelitian oleh DENGAN menunjukkan bahwa fenomena ini mungkin sebenarnya dibentuk oleh proses yang jauh lebih dangkal.
Diterbitkan hari ini (22 Mei) di jurnal Alampenelitian yang dilakukan oleh tim dari MIT, Universitas Edinburgh, dan lembaga lain menunjukkan bahwa ketidakstabilan di lapisan terluar matahari mungkin bertanggung jawab atas medan magnetnya.
Dengan mengembangkan model detail permukaan matahari dan mensimulasikan berbagai gangguan di dalamnya plasma mengalir di 5 hingga 10 persen bagian atas matahari, para peneliti menemukan bahwa perubahan permukaan ini dapat menghasilkan pola medan magnet yang sangat mirip dengan yang diamati oleh para astronom. Sebaliknya, simulasi lapisan matahari yang lebih dalam menghasilkan gambaran aktivitas matahari yang kurang akurat.
Medan Magnet Dangkal
Temuan ini menunjukkan bahwa bintik matahari dan nyala api bisa jadi disebabkan oleh medan magnet yang dangkal, bukan medan magnet yang berasal lebih dalam dari Matahari, seperti yang sebagian besar diasumsikan oleh para ilmuwan.
“Fitur-fitur yang kita lihat saat melihat matahari, seperti corona yang banyak dilihat orang saat gerhana matahari baru-baru ini, bintik matahari, dan jilatan api matahari, semuanya terkait dengan medan magnet matahari,” kata penulis studi Keaton Burns, seorang ilmuwan riset di Departemen Matematika MIT. “Kami menunjukkan bahwa gangguan terisolasi di dekat permukaan matahari, jauh dari lapisan yang lebih dalam, dapat berkembang seiring waktu sehingga berpotensi menghasilkan struktur magnet yang kita lihat.”
Jika medan magnet matahari benar-benar muncul dari lapisan terluarnya, hal ini mungkin memberikan peluang yang lebih baik bagi para ilmuwan dalam memperkirakan flare dan badai geomagnetik yang berpotensi merusak satelit dan sistem telekomunikasi.
“Kami tahu dinamo bertindak seperti jam raksasa dengan banyak bagian rumit yang saling berinteraksi,” kata rekan penulis Geoffrey Vasil, peneliti di Universitas Edinburgh. “Tetapi kita tidak tahu banyak dari bagian-bagiannya atau bagaimana mereka bisa menyatu. Gagasan baru tentang bagaimana dinamo surya dimulai sangat penting untuk memahami dan memprediksinya.”
Rekan penulis studi ini juga termasuk Daniel Lecoanet dan Kyle Augustson dari Universitas Barat LautJeffrey Oishi dari Bates College, Benjamin Brown dan Keith Julien dari Universitas Colorado di Boulder, dan Nicholas Brummell dari Universitas California di Santa Cruz.
Dinamika Zona Konveksi
Matahari adalah bola plasma putih panas yang mendidih di permukaannya. Daerah mendidih ini disebut “zona konveksi”, tempat lapisan dan gumpalan plasma bergolak dan mengalir. Zona konveksi mencakup sepertiga teratas radius matahari dan membentang sekitar 200.000 kilometer di bawah permukaan.
“Salah satu ide dasar cara menyalakan dinamo adalah Anda memerlukan wilayah di mana terdapat banyak plasma yang bergerak melewati plasma lainnya, dan gerakan geser tersebut mengubah energi kinetik menjadi energi magnetis,” jelas Burns. “Orang-orang mengira bahwa medan magnet matahari diciptakan oleh gerakan di bagian paling bawah zona konveksi.”
Untuk mengetahui secara pasti dari mana medan magnet matahari berasal, ilmuwan lain telah menggunakan simulasi tiga dimensi yang besar untuk mencoba memecahkan aliran plasma ke seluruh lapisan interior matahari. “Simulasi tersebut memerlukan jutaan jam pada fasilitas superkomputer nasional, namun apa yang dihasilkannya masih jauh dari gejolak matahari sebenarnya,” kata Burns.
Daripada mensimulasikan aliran plasma kompleks di seluruh tubuh Matahari, Burns dan rekan-rekannya bertanya-tanya apakah mempelajari stabilitas aliran plasma di dekat permukaan mungkin cukup untuk menjelaskan asal mula proses dinamo.
Untuk mengeksplorasi ide ini, tim pertama-tama menggunakan data dari bidang “helioseismology,” di mana para ilmuwan menggunakan getaran yang diamati di permukaan matahari untuk menentukan struktur rata-rata dan aliran plasma di bawah permukaan.
“Jika Anda merekam video sebuah drum dan melihat bagaimana drum tersebut bergetar dalam gerakan lambat, Anda dapat mengetahui bentuk dan kekakuan kepala drum dari mode getarannya,” kata Burns. “Demikian pula, kita dapat menggunakan getaran yang kita lihat di permukaan Matahari untuk menyimpulkan struktur rata-rata di dalamnya.”
Bawang Surya
Untuk studi baru mereka, para peneliti mengumpulkan model struktur matahari dari pengamatan helioseismik. “Aliran rata-rata ini terlihat seperti bawang, dengan lapisan plasma berbeda yang berputar melewati satu sama lain,” jelas Burns. “Kemudian kita bertanya: Apakah ada gangguan, atau perubahan kecil dalam aliran plasma, yang dapat kita letakkan di atas struktur rata-rata ini, yang mungkin akan berkembang sehingga menyebabkan medan magnet matahari?”
Untuk mencari pola seperti itu, tim menggunakan Proyek Dedalus – kerangka numerik yang dikembangkan Burns yang dapat mensimulasikan berbagai jenis aliran fluida dengan presisi tinggi. Kode ini telah diterapkan pada berbagai masalah, mulai dari pemodelan dinamika di dalam sel individu, hingga sirkulasi laut dan atmosfer.
“Kolaborator saya telah memikirkan masalah magnetisme matahari selama bertahun-tahun, dan kemampuan Dedalus kini telah mencapai titik di mana kami dapat mengatasinya,” kata Burns.
Tim mengembangkan algoritma yang mereka masukkan ke dalam Dedalus untuk menemukan perubahan yang memperkuat diri dalam aliran permukaan rata-rata matahari. Algoritme tersebut menemukan pola-pola baru yang dapat berkembang dan menghasilkan aktivitas matahari yang realistis. Secara khusus, tim menemukan pola yang cocok dengan lokasi dan rentang waktu bintik matahari yang telah diamati para astronom sejak Galileo pada tahun 1612.
Bintik matahari adalah fitur sementara pada permukaan matahari yang diduga dibentuk oleh medan magnet matahari. Daerah yang relatif lebih dingin ini tampak sebagai titik gelap dibandingkan dengan permukaan putih panas matahari lainnya. Para astronom telah lama mengamati bahwa bintik matahari muncul dalam pola siklus, tumbuh dan menyusut setiap 11 tahun, dan umumnya tertarik di sekitar khatulistiwa, bukan di dekat kutub.
Dalam simulasi yang dilakukan tim, mereka menemukan bahwa perubahan tertentu dalam aliran plasma, hanya pada 5 hingga 10 persen teratas lapisan permukaan matahari, cukup untuk menghasilkan struktur magnet di wilayah yang sama. Sebaliknya, perubahan pada lapisan yang lebih dalam menghasilkan medan matahari yang kurang realistis dan terkonsentrasi di dekat kutub, dibandingkan di dekat khatulistiwa.
Tim termotivasi untuk melihat lebih dekat pola aliran di dekat permukaan karena kondisi di sana mirip dengan aliran plasma tidak stabil di sistem yang sama sekali berbeda: piringan akresi di sekitar lubang hitam. Cakram akresi merupakan cakram masif yang terdiri dari gas dan debu bintang yang berputar ke arah a lubang hitamdidorong oleh “ketidakstabilan magnetorotasional”, yang menghasilkan turbulensi aliran dan menyebabkannya jatuh ke dalam.
Burns dan rekan-rekannya menduga fenomena serupa juga terjadi di Matahari, dan ketidakstabilan magnetorotasional di lapisan terluar Matahari bisa menjadi langkah pertama dalam menghasilkan medan magnet Matahari.
Temuan Kontroversial dan Penelitian yang Sedang Berlangsung
“Saya pikir hasil ini mungkin kontroversial,” dia memberanikan diri. “Sebagian besar komunitas fokus untuk menemukan aksi dinamo jauh di bawah sinar matahari. Sekarang kami menunjukkan bahwa ada mekanisme berbeda yang tampaknya lebih cocok dengan observasi.” Burns mengatakan bahwa tim terus mempelajari apakah pola permukaan baru dapat menghasilkan bintik matahari individu dan siklus matahari 11 tahun penuh.
Referensi: “Dinamo Matahari Dimulai di Dekat Permukaan” 22 Mei 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-024-07315-1
Penelitian ini sebagian didukung oleh NASA.
