En gruppe forskere fra Max Planck Institute for Solar System Research (MPS) i Tyskland har gjort et betydelig fremskritt i å forstå et av solens mest irriterende mysterier: hvordan driver stjernen vår frem partiklene som utgjør sol-vind ut i rommet?
Informasjonen gir et distinkt perspektiv på en avgjørende region av solkoronaen som tidligere har vært vanskelig for forskere å nå. Der har teamet for første gang registrert et dynamisk nettverk av plasmastrukturer som ligner en lang, sammenvevd nett. Et distinkt bilde dukker opp når data fra ulike romsonder og omfattende datasimuleringer kombineres: magnetisk energi utlades, og partikler slipper ut i verdensrommet hvor de langstrakte koronale webstrukturene samhandler.
De geostasjonære operasjonelle miljøsatellittene (GOES) til U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) har tradisjonelt opptatt seg med andre ting enn Sol.
En utforskende observasjonskampanje for å avbilde den utvidede solkoronaen fant sted i august og september 2018. I mer enn en måned så GOESs Solar Ultraviolet Imager (SUVI) direkte på solen som den vanligvis gjør, og tok bilder på hver side av den.
Dr. Dan Seaton fra SwRI, som fungerte som sjefforsker for SUVI under observasjonskampanjen, sa: "Vi hadde den sjeldne muligheten til å bruke et instrument på en uvanlig måte for å observere en region som ikke har blitt utforsket. Vi visste ikke engang om det ville fungere, men hvis det gjorde det, ville vi gjort viktige funn.»
Mellomkoronaen, et lag av solatmosfæren 350 tusen kilometer over det synlige overflaten til solen, kunne fotograferes i ultrafiolett lys for første gang ved å integrere bildene fra de forskjellige synsvinklene, noe som økte instrumentets synsfelt betraktelig.
Dr. Pradeep Chitta fra MPS, hovedforfatter av den nye studien, sa: «I midtkoronaen har solforskningen hatt noe av en blind flekk. GOES-dataene gir nå en betydelig forbedring. I midtkoronaen mistenker forskere prosesser som driver og modulerer solvinden.»
© Nature Astronomy, Chitta et al. / GOES/SUVI / SOHO/LASCO
En av stjernens mest omfattende aspekter er solvinden. Heliosfæren, en boble av sjeldne plasma som betegner solens innflytelsessfære, skapes av strømmen av ladede partikler som solen sender ut i verdensrommet og beveger seg til grensen til vårt solsystem. Solvinden deles opp i raske og langsomme komponenter i henhold til dens hastighet. Det indre av koronale hull, områder som virker mørke i koronal ultrafiolett stråling, er der den såkalte raske solvinden, som kan bevege seg med mer enn 500 kilometer i sekundet, har sitt utspring. Mindre er imidlertid kjent om opprinnelsen til den trege solvinden. Men selv den langsomme solvindens partikler reiser gjennom verdensrommet med supersoniske hastigheter på 300 til 500 km/s.
Varmt koronalplasma over én million grader må unnslippe solen for å danne den langsomme solvinden. Hvilken mekanisme fungerer her? Dessuten er den langsomme solvinden ikke homogen, men avslører, i det minste delvis, en strålelignende struktur av klart kjennelige streamere. Hvor og hvordan kommer de fra? Dette er spørsmålene som tas opp i den nye studien.
En region nær ekvator kan sees i GOES-dataene som fanget oppmerksomheten til forskerne: to koronale hull, der solvinden strømmer bort fra solen uhindret, nær et område med en sterkt magnetfelt. Disse systeminteraksjonene anses å være den svake solvindens potensielle opphav.
Den midtre koronaen over denne regionen er avbildet av langstrakte plasmastrukturer som peker radialt utover i GOES-dataene. Dette fenomenet, som er direkte observert for første gang, omtales av forfatterteamet som et koronalnett. Nettstrukturene samhandler og omorganiserer ofte.
Forskere har lenge kjent at solplasmaet til den ytre koronaen viser en lignende arkitektur. I flere tiår har koronagrafen LASCO (Large Angle and Spectrometric Coronagraph) om bord på romfartøyet SOHO, som feiret 25-årsjubileum i fjor, levert bilder fra denne regionen i synlig lys.
Den langsomme solvinden som starter sin reise ut i verdensrommet der, antas å ha en struktur som ligner på en jetstrøm av forskere. Som den nylige studien på imponerende vis har vist, dominerer denne strukturen allerede i midten krone.
Forskerne undersøkte også informasjon fra andre romsonder for å få en dypere forståelse av fenomenet: Et samtidig bilde av solens overflate ble levert av NASAs Solar Dynamics Observatory (SDO), mens et sidebilde ble levert av romfartøyet STEREO-A, som har vært i bane rundt solen før jorden siden 2006.
Dr. Cooper Downs fra Predictive Science Inc., som utførte datasimuleringene, sa: "Ved å bruke moderne beregningsteknikker som inkluderer fjernmålingsobservasjoner av solen, kan forskere bruke superdatamaskiner til å bygge realistiske 3D-modeller av det unnvikende magnetfeltet i solkoronaen. I denne studien brukte teamet en avansert magnetohydrodynamisk (MHD) modell for å simulere koronaens magnetfelt og plasmatilstand for denne perioden."
Dr. Cooper Downs fra Predictive Science Inc., som utførte datasimuleringene, sa: "Dette hjalp oss med å koble den fascinerende dynamikken som vi observerte i midtkoronaen til de rådende teoriene om solvinddannelse."
Chitta sa, «Som beregningene viser, følger strukturene til koronalbanen magnetfeltlinjene. Vår analyse antyder at arkitekturen til magnetfeltet i midtkoronaen er preget av den langsomme solvinden og spiller en viktig rolle i å akselerere partiklene ut i verdensrommet. I følge teamets nye resultater flyter det varme solplasmaet i midtkoronaen langs de åpne magnetfeltlinjene til koronalnettet. Der feltlinjene krysser og samhandler, frigjøres energi."
– Det er mye som tyder på at forskerne er inne på et grunnleggende fenomen. I perioder med høy solaktivitet oppstår ofte koronale hull nær ekvator i umiddelbar nærhet til områder med høy magnetisk feltstyrke. Det koronale nettverket vi observerte er derfor usannsynlig å være et isolert tilfelle.»
Teamet håper å få ytterligere og mer detaljert innsikt fra fremtidige soloppdrag. Noen av dem, som ESAs Proba-3-oppdrag som er planlagt i 2024, er utstyrt med instrumenter rettet mot midtkoronaen. MPS er involvert i behandlingen og analysen av dataene for dette oppdraget. Sammen med observasjonsdata fra prober i drift som NASAs Parker Solar Probe og ESAs Solar Orbiter, som forlater jord-sol-linjen, vil dette muliggjøre en bedre forståelse av den tredimensjonale strukturen til koronalnettet.
Tidsreferanse:
- L.P. Chitta, D.B. Seaton, C. Downs, C.E. DeForest, A.K. Higginson. Direkte observasjoner av et komplekst koronnett som driver svært strukturert langsom solvind. Naturstjernen, 24. november 2022. DOI: 10.1038/s41550-022-01834-5
