Een van de meest hardnekkige geheimen van de zon ontsluiten

Een groep wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Zonnestelselonderzoek (MPS) in Duitsland heeft een aanzienlijke vooruitgang geboekt in het begrijpen van een van de meest irritante mysteries van de zon: hoe drijft onze ster de deeltjes aan waaruit de zon bestaat? zonnewind naar de ruimte?

De informatie biedt een duidelijk perspectief op een cruciaal gebied van de zonnecorona dat voorheen moeilijk te bereiken was voor onderzoekers. Daar heeft het team voor het eerst een dynamisch netwerk van plasmastructuren vastgelegd die lijken op een lang, met elkaar verweven web. Een duidelijk beeld ontstaat wanneer gegevens van verschillende ruimtesondes en uitgebreide computersimulaties worden gecombineerd: magnetische energie wordt ontladen en deeltjes ontsnappen de ruimte in waar de langwerpige coronale webstructuren op elkaar inwerken.

De geostationaire operationele milieusatellieten (GOES) van de Amerikaanse National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) houden zich traditioneel bezig met andere zaken dan de Zon.

In augustus en september 2018 vond een verkennende waarnemingscampagne plaats om de uitgebreide zonnecorona in beeld te brengen. Ruim een ​​maand lang keek de Solar Ultraviolet Imager (SUVI) van GOES zoals gewoonlijk rechtstreeks naar de zon en maakte beelden aan weerszijden ervan.

Dr. Dan Seaton van SwRI, die tijdens de observatiecampagne als hoofdwetenschapper voor SUVI diende, zei: “We hadden de zeldzame kans om een ​​instrument op een ongebruikelijke manier te gebruiken om een ​​gebied te observeren dat nog niet is verkend. We wisten niet eens of het zou werken, maar als dat zo zou zijn, zouden we belangrijke ontdekkingen doen.”

De tussenliggende corona, een laag van de zonneatmosfeer die 350 kilometer boven het zichtbare ligt oppervlak van de zon, kon voor het eerst in ultraviolet licht worden gefotografeerd door de foto's vanuit de verschillende kijkhoeken te integreren, waardoor het gezichtsveld van het instrument aanzienlijk werd vergroot.

Dr. Pradeep Chitta van MPS, hoofdauteur van de nieuwe studie, zei: “Tijdens de coronacrisis heeft het zonneonderzoek een soort blinde vlek gehad. De GOES-gegevens zorgen nu voor een aanzienlijke verbetering. In de middelste corona vermoeden onderzoekers processen die de zonnewind aandrijven en moduleren.”

Een van de meest uitgebreide aspecten van onze ster is de zonnewind. De heliosfeer, een bel van ijl plasma die de invloedssfeer van de zon aangeeft, wordt gecreëerd door de stroom geladen deeltjes die de zon de ruimte in lanceert en naar de grens van ons zonnestelsel reist. De zonnewind wordt afhankelijk van zijn snelheid opgesplitst in snelle en langzame componenten. De binnenkant van coronale gaten, gebieden die donker lijken in coronale ultraviolette straling, is de plek waar de zogenaamde snelle zonnewind, die zich met een snelheid van meer dan 500 kilometer per seconde kan voortbewegen, ontstaat. Er is echter minder bekend over de oorsprong van de trage zonnewind. Maar zelfs de deeltjes van de langzame zonnewind reizen door de ruimte met supersonische snelheden van 300 tot 500 km/s.

Heet coronaal plasma van meer dan een miljoen graden moet aan de zon ontsnappen om de langzame zonnewind te vormen. Welk mechanisme is hier aan het werk? Bovendien is de langzame zonnewind niet homogeen, maar vertoont hij, althans gedeeltelijk, een straalachtige structuur van duidelijk te onderscheiden stromen. Waar en hoe ontstaan ​​ze? Dit zijn de vragen die in het nieuwe onderzoek worden beantwoord.

In de GOES-gegevens is een gebied nabij de evenaar te zien dat de aandacht van de onderzoekers trok: twee coronale gaten, waar de zonnewind ongehinderd van de zon wegstroomt, dichtbij een gebied met een sterk magnetisch veld. Deze systeeminteracties worden beschouwd als de potentiële oorsprong van de trage zonnewind.

De middelste corona boven dit gebied wordt weergegeven door langwerpige plasmastructuren die in de GOES-gegevens radiaal naar buiten wijzen. Dit fenomeen, dat voor het eerst rechtstreeks is waargenomen, wordt door het auteursteam een ​​coronaal web genoemd. De structuren van het web interacteren en reorganiseren regelmatig.

Onderzoekers weten al lang dat het zonneplasma van de buitenste corona een vergelijkbare architectuur vertoont. Decennia lang levert de coronagraaf LASCO (Large Angle and Spectrometric Coronagraph) aan boord van het SOHO-ruimtevaartuig, dat vorig jaar zijn 25-jarig jubileum vierde, beelden uit deze regio in zichtbaar licht.

Wetenschappers denken dat de langzame zonnewind die daar zijn reis naar de ruimte begint, een structuur heeft die lijkt op die van een straalstroom. Zoals de recente studie op indrukwekkende wijze heeft aangetoond, overheerst deze structuur al in het midden kroon.

De onderzoekers onderzochten ook informatie van andere ruimtesondes om een ​​beter begrip van het fenomeen te krijgen: een gelijktijdig beeld van het oppervlak van de zon werd geleverd door NASA's Solar Dynamics Observatory (SDO), terwijl een zijaanzicht werd geleverd door het STEREO-A ruimtevaartuig, dat draait sinds 2006 vóór de aarde rond de zon.

Dr. Cooper Downs van Predictive Science Inc., die de computersimulaties uitvoerde, zei: “Met behulp van moderne computationele technieken die teledetectiewaarnemingen van de zon omvatten, kunnen onderzoekers supercomputers gebruiken om realistische 3D-modellen te bouwen van het ongrijpbare magnetische veld in de zonnecorona. In deze studie gebruikte het team een ​​geavanceerd magnetohydrodynamisch (MHD) model om het magnetische veld en de plasmatoestand van de corona voor deze periode te simuleren.”

Dr. Cooper Downs van Predictive Science Inc., die de computersimulaties uitvoerde, zei: “Dit heeft ons geholpen de fascinerende dynamiek die we in de middelste corona hebben waargenomen te verbinden met de heersende theorieën over de vorming van zonnewind.”

Chitta zei, “Zoals de berekeningen laten zien, volgen de structuren van het coronale web de magnetische veldlijnen. Onze analyse suggereert dat de architectuur van het magnetische veld in de middelste corona een stempel drukt op de langzame zonnewind en een belangrijke rol speelt bij het versnellen van de deeltjes de ruimte in. Volgens de nieuwe resultaten van het team stroomt het hete zonneplasma in de middelste corona langs de open magnetische veldlijnen van het coronale web. Waar de veldlijnen elkaar kruisen en op elkaar inwerken, komt energie vrij.”

“Er is veel dat erop wijst dat de onderzoekers een fundamenteel fenomeen op het spoor zijn. Tijdens perioden van hoge zonneactiviteit ontstaan ​​er vaak coronale gaten nabij de evenaar, in de directe nabijheid van gebieden met een hoge magnetische veldsterkte. Het is daarom onwaarschijnlijk dat het coronale netwerk dat we hebben waargenomen een op zichzelf staand geval is.”

Het team hoopt verdere en gedetailleerdere inzichten te verwerven uit toekomstige zonnemissies. Sommigen van hen, zoals de Proba-3-missie van ESA, gepland voor 2024, zijn uitgerust met instrumenten die zich richten op de middelste corona. Het MPS is betrokken bij de verwerking en analyse van de gegevens van deze missie. Samen met observatiegegevens van momenteel werkende sondes zoals NASA's Parker Solar Probe en ESA's Solar Orbiter, die de aarde-zon-lijn verlaten, zal dit een beter begrip van de driedimensionale structuur van het coronale web mogelijk maken.

Journal Reference:

1. LP Chitta, DB Seaton, C. Downs, CE DeForest, AK Higginson. Directe observaties van een complex coronaal web dat een zeer gestructureerde langzame zonnewind aandrijft. Natuurastronomie, 24 november 2022. DOI: 10.1038/s41550-022-01834-5