Låsa upp en av solens mest ihärdiga hemligheter

En grupp forskare från Max Planck Institute for Solar System Research (MPS) i Tyskland har gjort ett betydande framsteg när det gäller att förstå ett av solens mest irriterande mysterier: hur driver vår stjärna fram partiklarna som utgör solvind in i rymden?

Informationen ger ett distinkt perspektiv på en avgörande region av solkoronan som tidigare varit svår att nå för forskare. Där har teamet för första gången spelat in ett dynamiskt nätverk av plasmastrukturer som liknar en lång, sammanflätad väv. En distinkt bild dyker upp när data från olika rymdsonder och omfattande datorsimuleringar kombineras: magnetisk energi urladdas och partiklar flyr ut i rymden där de långsträckta koronala webbstrukturerna samverkar.

De geostationära operativa miljösatelliterna (GOES) från US National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) har traditionellt sysslat med andra saker än sol.

En utforskande observationskampanj för att avbilda den utökade solkoronan ägde rum i augusti och september 2018. I mer än en månad tittade GOES:s Solar Ultraviolet Imager (SUVI) direkt på solen som den brukar och tog bilder på vardera sidan av den.

Dr Dan Seaton från SwRI, som tjänstgjorde som chefsforskare för SUVI under observationskampanjen, sa: "Vi hade den sällsynta möjligheten att använda ett instrument på ett ovanligt sätt för att observera en region som inte har utforskats. Vi visste inte ens om det skulle fungera, men om det gjorde det skulle vi göra viktiga upptäckter.”

Den mellanliggande koronan, ett lager av solatmosfären 350 tusen kilometer över det synliga solens yta, kunde fotograferas i ultraviolett ljus för första gången genom att integrera bilderna från de olika betraktningsvinklarna, vilket avsevärt ökade instrumentets synfält.

Dr Pradeep Chitta från MPS, huvudförfattare till den nya studien, sa: "I mitten av koronan har solforskningen haft något av en blind fläck. GOES-data ger nu en betydande förbättring. I mittenkoronan misstänker forskare processer som driver och modulerar solvinden."

En av vår stjärnas mest omfattande aspekter är solvinden. Heliosfären, en bubbla av förtärt plasma som betecknar solens inflytandesfär, skapas av strömmen av laddade partiklar som solen sänder ut i rymden och färdas till gränsen för vårt solsystem. Solvinden delas upp i snabba och långsamma komponenter efter dess hastighet. Det inre av koronala hål, områden som verkar mörka i koronal ultraviolett strålning, är där den så kallade snabba solvinden, som kan färdas med mer än 500 kilometer per sekund, har sitt ursprung. Mindre är dock känt om den tröga solvindens ursprung. Men även den långsamma solvindens partiklar färdas genom rymden med överljudshastigheter på 300 till 500 km/s.

Het koronalplasma över en miljon grader behöver fly från solen för att bilda den långsamma solvinden. Vilken mekanism fungerar här? Dessutom är den långsamma solvinden inte homogen utan avslöjar, åtminstone delvis, en strålliknande struktur av tydligt urskiljbara streamers. Var och hur kommer de från? Det är frågorna som tas upp i den nya studien.

En region nära ekvatorn kan ses i GOES-data som fångade forskarnas uppmärksamhet: två koronala hål, där solvinden strömmar bort från solen obehindrat, nära ett område med en starkt magnetfält. Dessa systeminteraktioner anses vara den tröga solvindens potentiella ursprung.

Den mellersta koronan ovanför denna region avbildas av långsträckta plasmastrukturer som pekar radiellt utåt i GOES-data. Detta fenomen, som har observerats direkt för första gången, kallas av författarteamet som en koronal väv. Webbens strukturer interagerar och omorganiserar ofta.

Forskare har länge känt till att solplasman i den yttre koronan uppvisar en liknande arkitektur. I decennier har coronagraph LASCO (Large Angle and Spectrometric Coronagraph) ombord på rymdfarkosten SOHO, som firade sitt 25-årsjubileum förra året, tillhandahållit bilder från denna region i synligt ljus.

Den långsamma solvinden som börjar sin resa ut i rymden där tros ha en struktur som liknar den hos en jetström av forskare. Som den senaste studien imponerande har visat, dominerar denna struktur redan i mitten crown.

Forskarna undersökte också information från andra rymdsonder för att få en djupare förståelse av fenomenet: En samtida bild av solens yta gavs av NASA:s Solar Dynamics Observatory (SDO), medan en sidovy gavs av rymdfarkosten STEREO-A, som har kretsat runt solen före jorden sedan 2006.

Dr. Cooper Downs från Predictive Science Inc., som utförde datorsimuleringarna, sa: "Med hjälp av moderna beräkningstekniker som inkluderar fjärranalysobservationer av solen, kan forskare använda superdatorer för att bygga realistiska 3D-modeller av det svårfångade magnetfältet i solkoronan. I den här studien använde teamet en avancerad magnetohydrodynamisk (MHD) modell för att simulera koronans magnetfält och plasmatillstånd för denna period.”

Dr. Cooper Downs från Predictive Science Inc., som utförde datorsimuleringarna, sa: "Detta hjälpte oss att koppla den fascinerande dynamiken som vi observerade i mittkoronan till de rådande teorierna om solvindsbildning."

Chitta sade, "Som beräkningarna visar följer koronalvävens strukturer magnetfältslinjerna. Vår analys tyder på att arkitekturen för magnetfältet i mittkoronan är präglad på den långsamma solvinden och spelar en viktig roll för att accelerera partiklarna ut i rymden. Enligt teamets nya resultat strömmar den heta solplasman i mittkoronan längs de öppna magnetfältslinjerna i koronalbanan. Där fältlinjerna korsar varandra och samverkar frigörs energi.”

– Det finns mycket som talar för att forskarna är inne på ett fundamentalt fenomen. Under perioder med hög solaktivitet uppstår ofta koronala hål nära ekvatorn i närheten av områden med hög magnetfältstyrka. Det koronala nätverket vi observerade är därför osannolikt att vara ett isolerat fall."

Teamet hoppas få ytterligare och mer detaljerade insikter från framtida soluppdrag. Några av dem, som ESA:s Proba-3-uppdrag som planeras till 2024, är utrustade med instrument som riktar sig mot mittenkorona. MPS är involverad i bearbetningen och analysen av uppgifterna för detta uppdrag. Tillsammans med observationsdata från för närvarande arbetande sonder som NASA:s Parker Solar Probe och ESA:s Solar Orbiter, som lämnar jord-sol-linjen, kommer detta att möjliggöra en bättre förståelse av den tredimensionella strukturen av koronalväven.

Tidskriftsreferens:

1. LP Chitta, DB Seaton, C. Downs, CE DeForest, AK Higginson. Direkta observationer av ett komplext koronnät som driver mycket strukturerad långsam solvind. Natur Astronomi, 24 november 2022. DOI: 10.1038/s41550-022-01834-5