Teleskop surya terbesar di planet ini, Daniel K. Inouye, telah berhasil merekam pusaran plasma di permukaan Matahari, sebuah fenomena yang meskipun diprediksi oleh sains, hingga saat ini tidak terlihat karena ukurannya yang kecil. Penemuan yang dilakukan pada 14 April 2025 ini memberikan gambaran baru tentang dinamika bintang.
Konsep ketidakstabilan Kelvin-Helmholtz menggambarkan bagaimana batas antara dua fluida yang meluncur dengan kecepatan berbeda membelok dan membentuk pusaran. Fisika ini, yang dipahami sejak akhir abad ke-19, menjelaskan segala sesuatu mulai dari riak air yang disebabkan oleh angin hingga bentuk awan yang melengkung.
Selama beberapa dekade, para ilmuwan berteori bahwa proses yang sama seharusnya terjadi pada plasma matahari, namun tanpa kemampuan untuk memastikannya secara visual. Kini, tim peneliti yang dipimpin oleh David Kuridze dan Friedrich Wöger, keduanya dari National Solar Observatory, telah memvalidasi terjadinya pusaran tersebut, yang ternyata ada di mana-mana. Studi ini menunjukkan bahwa penemuan ini dapat mendefinisikan kembali pemahaman tentang bagaimana panas, massa, dan energi magnetik menyebar di atmosfer Matahari.
Kemampuan teleskop surya terbesar di dunia untuk mengamati
Kesulitan dalam mengamati pusaran plasma di Matahari selalu dikaitkan dengan ukurannya yang kecil, yang memerlukan kapasitas resolusi optik yang tidak dapat ditawarkan oleh teleskop dengan cermin yang lebih kecil dari 2 meter. Keterbatasan ini menghalangi deteksi sepanjang sejarah fisika matahari, hingga Yayasan Sains Nasional Amerika Serikat membuka Teleskop Surya Daniel K. Inouye, instrumen berukuran 4 meter yang berlokasi di Hawaii dan dianggap sebagai teleskop surya terbesar di dunia, yang mulai beroperasi pada November 2021.
Hanya dalam kurun waktu tiga menit, pada 14 April 2025, tim Kuridze melatih teleskop tersebut di area aktif dekat pusat piringan matahari. Mereka merekam gambar menggunakan panjang gelombang 416 nanometer, menggunakan sistem kamera diagnostik yang dikembangkan bekerja sama antara National Solar Observatory dan Max Planck Institute for Solar System Research. Awalnya, fokus misinya bukanlah pencarian pusaran. “Tujuan utama kami adalah mencapai kinerja resolusi terbatas melalui difraksi teleskop,” jelas Kuridze.
Dalam topik yang sama: Pusaran matahari yang belum pernah terjadi sebelumnya ditangkap oleh teleskop di Hawaii, mengungkap misteri Matahari
Batas difraksi adalah detail maksimum yang dapat ditangkap oleh optik teleskop, yang dipengaruhi oleh ukuran cermin dan panjang gelombang yang diamati. Cermin yang lebih besar dan panjang gelombang yang lebih pendek memungkinkan Anda melihat detail yang lebih halus. Dengan cermin Inouye yang dipasang pada jarak 4 meter, tim berupaya mengoptimalkan panjang gelombang. “Kami memilih 416 nanometer, yang berada di ujung bawah spektrum tampak, untuk mendapatkan batas difraksi dan resolusi yang lebih tinggi,” kata Kuridze.
Apa yang dicapai tim jauh lebih dari sekadar ujian sederhana. Kamera menangkap gambar dengan kecepatan 740 frame per detik, dengan eksposur 100 mikrodetik. Dua ribu frame ini kemudian digabungkan menjadi gambar akhir menggunakan teknik yang dikenal sebagai dekonvolusi multi-frame buta, yang memodelkan dan mengoreksi keburaman yang disebabkan oleh atmosfer bumi setelah aksi optik teleskop. Hasilnya adalah rekaman permukaan matahari, dengan gambar baru setiap dua detik dan resolusi spasial sekitar 19 kilometer, tepatnya pada batas teoritis yang dapat dicapai oleh cermin 4 meter pada panjang gelombang tersebut.
“Hasilnya, kami mencapai observasi yang luar biasa, yang memungkinkan kami melihat sesuatu yang belum pernah terjadi sebelumnya,” kata Kuridze.
Identifikasi dan karakteristik struktur pusaran surya baru
Pada kisaran 416 nanometer, permukaan Matahari didominasi oleh butiran, yaitu sel konveksi yang mengangkut panas dari interior Matahari, diselingi oleh berkas terkonsentrasi dari medan magnet yang kuat. Dalam foto beresolusi rendah, area transisi antara berkas magnet dan butiran di sekitarnya tampak homogen dan sedikit buram.
Namun data yang dikumpulkan oleh Teleskop Daniel K. Inouye (DKIST) menyajikan kenyataan yang sangat berbeda. Batas-batasnya hampir seluruhnya terdiri dari struktur seperti pusaran dan garis-garis tipis dan gelap. Tim mampu mengidentifikasi 47 area dengan pusaran di bidang pandang teleskop, dan mengukur jarak di antara area tersebut. Jaraknya bervariasi antara 60 dan 100 kilometer, dengan masing-masing pusaran berukuran diameter 25 hingga 170 kilometer. Pola terkecil yang terdeteksi berada tepat pada batas resolusi 19 kilometer, yang menunjukkan bahwa ukuran minimum sebenarnya masih belum diketahui. Dengan mengamati tingkat pertumbuhannya, para peneliti mencatat bahwa vortisitas dapat berlipat ganda dalam waktu kurang dari satu menit dan menyebar sepanjang antarmuka dengan kecepatan antara 0,67 dan 3 kilometer per detik.
Menurut Kuridze, persepsi pengamat yang terbang di atas salah satu perbatasan tersebut akan bergantung pada momen kedatangannya. Ketidakstabilan berkembang dalam dua fase. “Awalnya ada fase linier, semuanya lebih damai, teratur, teratur dan indah,” jelasnya. “Jika dilihat lebih dekat, itu akan terlihat seperti awan yang bergerak.” Namun, fase damai akan diikuti oleh kekacauan. “Pada titik tertentu, segalanya berkembang menjadi rezim non-linier, dan segala sesuatunya menjadi kompleks,” tambah Kuridze. “Pada dasarnya, turbulensi muncul – turbulensi yang cukup kacau.”
Pembentukan riak-riak ini khususnya pada antarmuka berkaitan dengan arah medan magnet. Garis magnet berperilaku seperti benang elastis yang melewati plasma dan melawan deformasi. Jika benang-benang ini sejajar dengan arah aliran, mereka akan menarik riak apa pun di perbatasan, meratakannya dan mencegah tumbuhnya ketidakstabilan. Namun jika garis tersebut melintasi aliran, tidak ada halangan untuk terbentuknya vortisitas.
Pada daerah dengan medan magnet kuat yang diamati oleh DKIST, medan magnet menonjol hampir vertikal dari permukaan, sedangkan aliran granular di sekitarnya bergerak kesamping. Susunan filamen tidak memadai untuk menjaga batas tetap stabil, sehingga spiral dapat berkembang tanpa hambatan.
Selengkapnya tentang topik ini: Penemuan garis-garis yang tidak dapat dijelaskan dalam spektrum sinar matahari membuat penasaran para astronom
Konfirmasi ilmiah dan simulasi yang memvalidasi data yang diperoleh
Dihadapkan pada penemuan yang belum pernah terjadi sebelumnya, Kuridze, Wöger dan kolaboratornya harus memastikan bahwa observasi tersebut bukan hanya hasil pemrosesan gambar. “Semuanya menunjukkan bahwa itu adalah Kelvin-Helmholtz, tapi tentu saja itu tidak cukup,” kata Kuridze. “Sangat penting untuk memiliki bukti teoritis untuk memastikan bahwa fenomena ini benar-benar terjadi.”
Untuk mendapatkan validasi teoritis ini, para ilmuwan melakukan simulasi komputer. Mereka memodelkan area fotosfer berukuran sekitar 6 megameter pada salah satu sisinya, pada grid yang berjarak 3,2 kilometer, dengan menggunakan acuan peta medan magnet wilayah yang diamati. Mereka kemudian menyintesis gambar-gambar yang seharusnya ditangkap DKIST saat mengamati area simulasi tersebut.
Tim menghitung 500 titik spektral dalam rentang panjang gelombang yang diperiksa, menerapkan profil transmisi filter interferensi nyata dan menyesuaikan hasilnya agar sesuai dengan resolusi teleskop. Gambar sintetik secara akurat mereproduksi tampilan dan dinamika vortisitas, termasuk tingkat pertumbuhan, distribusi, dan kecepatan propagasinya. Proses ini mengarahkan tim pada kesimpulan bahwa pengamatan mereka kemungkinan besar asli, dan implikasinya signifikan.
Dampak penemuan terhadap pemahaman atmosfer matahari
Medan magnet yang kuat umumnya menjaga plasma dalam keadaan stabil. Bintik matahari, misalnya, adalah area yang kekuatan medannya cukup untuk menekan konveksi, sehingga menghasilkan permukaan yang lebih gelap dan lebih dingin.
Penemuan ketidakstabilan yang menimbulkan pusaran di tepi setiap elemen magnet menunjukkan adanya mekanisme guncangan di tempat yang tidak diharapkan. Hal ini berarti bahwa gas yang termagnetisasi dan tidak termagnetisasi dapat bercampur, dan material yang lebih dingin dari tepi sel konveksi dapat menyusup ke daerah magnet. Interaksi ini mengubah cara panas dipindahkan tepat di bawah permukaan yang terlihat, sebuah aspek yang tidak dipertimbangkan dalam model konveksi matahari saat ini.
Daerah lain yang terkena dampaknya adalah Korona Matahari, yaitu lapisan terluar Matahari yang bersuhu jutaan derajat. Pemanasan parsial pada korona terjadi akibat penataan ulang garis-garis medan magnet pada titik jangkarnya, yang terjalin menjadi jalinan kompleks dan akhirnya melepaskan energi. Tantangannya adalah mekanisme pasti di balik penataan ulang ini tidak pernah diamati secara langsung. Kuridze menunjukkan bahwa “ada gerakan puntir di seluruh permukaan elemen magnet, dan gerakan puntir ini tidak lebih dari jalinan medan magnet.”
Namun, penting untuk mempertimbangkan bahwa, sejauh ini, hasil ini didasarkan pada jangka waktu observasi yang hanya tiga menit – sebuah catatan yang tepat waktu, dan bukan survei yang komprehensif – dan pada simulasi yang masih memiliki keterbatasan tertentu.
Liputan lengkap: Berita Terbaru (ID)
Tantangan dan arah masa depan dalam penelitian pusaran surya
“Salah satu hal yang belum kita ketahui adalah seberapa kecil pola Kelvin-Helmholtz di Matahari,” kata Kuridze. Apa yang bisa kita selesaikan sangat dekat dengan batas resolusi teleskop, yang menunjukkan bahwa pola yang lebih kecil pun mungkin terlewatkan. Untuk mengatasi masalah ini, salah satu pendekatannya adalah dengan memungkinkan simulasi beroperasi pada resolusi yang lebih tinggi daripada yang dapat diamati oleh teleskop. Namun, keberhasilan tim dalam upaya ini masih terbatas hingga saat ini.
“Saat menjalankan simulasi pada resolusi yang lebih tinggi, perlu untuk memasukkan prinsip-prinsip fisika tambahan, dan kami tidak sepenuhnya yakin bagaimana segala sesuatunya bekerja dalam simulasi komputer ketika bertujuan untuk mencapai resolusi ini,” jelasnya. “Ini adalah area yang benar-benar baru dan memerlukan penyelidikan lebih lanjut.”
Keterbatasan tambahan terkait dengan jenis data yang dikumpulkan DKIST, yang sebagian besar berfokus pada gambar visual beresolusi tinggi. Meskipun gambar-gambar ini memberikan perkiraan yang baik mengenai lokasi dan kekuatan medan magnet, namun gambar-gambar tersebut masih merupakan perkiraan. Semua pengetahuan tim tentang kecepatan sebenarnya pergerakan plasma berasal dari simulasi, bukan langsung dari teleskop, dan medan magnet yang menggerakkan seluruh proses tidak pernah diukur secara langsung pada skala ini.
Tim peneliti percaya bahwa sebagian besar ketidakpastian yang tersisa dapat diselesaikan dengan memperluas pengamatan di luar jangka waktu tiga menit saat ini. “Untuk mengukur bagaimana medan magnet berevolusi dari waktu ke waktu, berapa banyak energi yang hilang, berapa banyak energi yang dilepaskan, dan berapa anggaran energi yang tersedia untuk letusan dan suar, diperlukan pengamatan yang lebih lama dan peta magnetik yang terperinci,” simpul Kuridze. “Itulah tantangan kami berikutnya dan pencapaian kami berikutnya.”