Låser op for en af ​​Solens mest vedvarende hemmeligheder

En gruppe videnskabsmænd fra Max Planck Institute for Solar System Research (MPS) i Tyskland har gjort et betydeligt fremskridt i forståelsen af ​​et af Solens mest irriterende mysterier: hvordan driver vores stjerne de partikler, der udgør solvind ud i rummet?

Oplysningerne giver et tydeligt perspektiv på en afgørende region af solkoronaen, som tidligere har været svær for forskere at nå. Der har holdet for første gang optaget et dynamisk netværk af plasmastrukturer, der ligner et langt, sammenflettet net. Et tydeligt billede viser sig, når data fra forskellige rumsonder og omfattende computersimuleringer kombineres: magnetisk energi aflades, og partikler undslipper i rummet, hvor de aflange koronale webstrukturer interagerer.

De Geostationary Operational Environmental Satellites (GOES) fra US National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) har traditionelt beskæftiget sig med andre ting end Sol.

En sonderende observationskampagne for at afbilde den udvidede solkorona fandt sted i august og september 2018. I mere end en måned kiggede GOES's Solar Ultraviolet Imager (SUVI) direkte på Solen, som den plejer, og tog billeder til hver side af den.

Dr. Dan Seaton fra SwRI, der tjente som chefforsker for SUVI under observationskampagnen, sagde: "Vi havde den sjældne mulighed for at bruge et instrument på en usædvanlig måde til at observere en region, der ikke er blevet udforsket. Vi vidste ikke engang, om det ville virke, men hvis det gjorde, ville vi gøre vigtige opdagelser."

Den mellemliggende korona, et lag af solatmosfæren 350 tusinde kilometer over det synlige Solens overflade, kunne fotograferes i ultraviolet lys for første gang ved at integrere billederne fra de forskellige betragtningsvinkler, hvilket øgede instrumentets synsfelt betragteligt.

Dr. Pradeep Chitta fra MPS, hovedforfatter af den nye undersøgelse, sagde, »I den midterste corona har solforskningen haft noget af en blind plet. GOES-dataene giver nu en betydelig forbedring. I den midterste corona har forskere mistanke om processer, der driver og modulerer solvinden."

Et af vores stjernes mest omfattende aspekter er solvinden. Heliosfæren, en boble af sjældent plasma, der betegner Solens indflydelsessfære, er skabt af strømmen af ​​ladede partikler, som Solen sender ud i rummet og rejser til grænsen af ​​vores solsystem. Solvinden opdeles i hurtige og langsomme komponenter efter dens hastighed. Det indre af koronale huller, områder, der virker mørke i koronal ultraviolet stråling, er der, hvor den såkaldte hurtige solvind, som kan bevæge sig med mere end 500 kilometer i sekundet, stammer fra. Mindre vides dog om den træge solvinds oprindelse. Men selv den langsomme solvinds partikler rejser gennem rummet med supersoniske hastigheder på 300 til 500 km/s.

Varmt koronal plasma over en million grader skal undslippe Solen for at danne den langsomme solvind. Hvilken mekanisme er på arbejde her? Desuden er den langsomme solvind ikke homogen, men afslører, i det mindste delvist, en strålelignende struktur af klart skelnelige streamers. Hvor og hvordan stammer de fra? Det er spørgsmålene i den nye undersøgelse.

Et område nær ækvator kan ses i GOES-dataene, der fangede forskernes opmærksomhed: to koronale huller, hvor solvinden flyder væk fra Solen uhindret, tæt på et område med en stærkt magnetfelt. Disse systeminteraktioner anses for at være den træge solvinds potentielle oprindelse.

Den midterste korona over denne region er afbildet af aflange plasmastrukturer, der peger radialt udad i GOES-dataene. Dette fænomen, som er blevet direkte observeret for første gang, omtales af forfatterholdet som et koronalt web. Nettets strukturer interagerer og reorganiserer ofte.

Forskere har længe vidst, at solplasmaet i den ydre korona udviser en lignende arkitektur. I årtier har koronagrafen LASCO (Large Angle and Spectrometric Coronagraph) om bord på SOHO-rumfartøjet, som fejrede sit 25-års jubilæum sidste år, leveret billeder fra denne region i synligt lys.

Den langsomme solvind, der starter sin rejse ud i rummet der, menes af videnskabsmænd at have en struktur, der ligner en jetstrøm. Som den seneste undersøgelse på imponerende vis har vist, dominerer denne struktur allerede i midten krone.

Forskerne undersøgte også information fra andre rumsonder for at få en dybere forståelse af fænomenet: Et samtidig billede af Solens overflade blev leveret af NASAs Solar Dynamics Observatory (SDO), mens et sidebillede blev leveret af rumfartøjet STEREO-A, som har kredset om Solen før Jorden siden 2006.

Dr. Cooper Downs fra Predictive Science Inc., som udførte computersimuleringerne, sagde: "Ved at bruge moderne beregningsteknikker, der inkorporerer fjernmålingsobservationer af Solen, kan forskere bruge supercomputere til at bygge realistiske 3D-modeller af det undvigende magnetfelt i solkoronaen. I denne undersøgelse brugte holdet en avanceret magnetohydrodynamisk (MHD) model til at simulere koronaens magnetfelt og plasmatilstand i denne periode."

Dr. Cooper Downs fra Predictive Science Inc., som udførte computersimuleringerne, sagde: "Dette hjalp os med at forbinde den fascinerende dynamik, som vi observerede i den midterste korona, til de fremherskende teorier om solvinddannelse."

Chitta sagde, ”Som beregningerne viser, følger koronalbanens strukturer magnetfeltlinjerne. Vores analyse tyder på, at arkitekturen af ​​magnetfeltet i den midterste korona er præget af den langsomme solvind og spiller en vigtig rolle i at accelerere partiklerne ud i rummet. Ifølge holdets nye resultater flyder det varme solplasma i den midterste korona langs de åbne magnetiske feltlinjer i koronalbanen. Hvor feltlinjerne krydser og interagerer, frigives energi."

”Meget tyder på, at forskerne er inde på et grundlæggende fænomen. I perioder med høj solaktivitet opstår der ofte koronale huller nær ækvator i umiddelbar nærhed af områder med høj magnetfeltstyrke. Det koronale netværk, vi observerede, er derfor usandsynligt, at det er et isoleret tilfælde."

Holdet håber at få yderligere og mere detaljeret indsigt fra fremtidige solmissioner. Nogle af dem, såsom ESA's Proba-3-mission, der er planlagt til 2024, er udstyret med instrumenter rettet mod den midterste corona. MPS er involveret i behandlingen og analysen af ​​denne missions data. Sammen med observationsdata fra i øjeblikket opererende sonder såsom NASA's Parker Solar Probe og ESA's Solar Orbiter, som forlader Jord-Sol-linjen, vil dette muliggøre en bedre forståelse af den tredimensionelle struktur af koronalvævet.

Journal Reference:

1. LP Chitta, DB Seaton, C. Downs, CE DeForest, AK Higginson. Direkte observationer af et komplekst koronnet, der driver meget struktureret langsom solvind. Naturstronomi, 24. november 2022. DOI: 10.1038/s41550-022-01834-5