Los een 65 jaar oud kosmisch mysterie op

Een kosmische uitlijning en enkele oefeningen met ruimtevaartuigen hebben een baanbrekende meting opgeleverd die helpt bij het oplossen van het 65 jaar oude kosmische mysterie waarom de atmosfeer van de zon opwarmt.

De atmosfeer van de zon wordt de corona genoemd. Het bestaat uit een elektrisch geladen gas dat bekend staat als plasma De temperatuur is ongeveer een miljoen graden Celsius.

De temperatuur ervan is altijd een mysterie, omdat de oppervlaktetemperatuur van de zon slechts ongeveer 6000 graden Celsius bedraagt. De corona zou koeler moeten zijn dan het oppervlak, omdat de energie van de zon in de kern van de kernoven komt, en de zaken worden natuurlijk koeler naarmate de afstand tot de warmtebron groter is. De corona is echter ruim 150 keer heter dan het oppervlak.

Er moet een andere manier zijn om energie naar het plasma over te brengen, maar welke?

Theorieën en uitdagingen van onderzoek

Er wordt al lang vermoed dat turbulentie in de zonneatmosfeer zou kunnen leiden tot aanzienlijke verwarming van het plasma in de corona. Maar als het gaat om het onderzoeken van dit fenomeen, worden zonnefysici geconfronteerd met een praktisch probleem: het is onmogelijk om alle gegevens die ze nodig hebben te verzamelen met slechts één ruimtevaartuig.

Er zijn twee manieren om de zon te verkennen: teledetectie en metingen ter plaatse. Bij teledetectie wordt het ruimtevaartuig op een bepaalde afstand geplaatst en worden camera’s gebruikt om op verschillende golflengten naar de zon en zijn atmosfeer te kijken. Voor in situ metingen vliegt het ruimtevaartuig door het gebied dat het wil verkennen en verricht het metingen aan deeltjes en magnetische velden in dat deel van de ruimte.

Beide benaderingen hebben hun voordelen. Teledetectie laat grootschalige resultaten zien, maar geen details van de processen die in het plasma plaatsvinden. Ondertussen leveren in situ metingen zeer specifieke informatie op over kleinschalige processen in het plasma, maar laten ze niet zien hoe dit de grootschalige processen beïnvloedt.

Dubbel onderzoek in ruimtevaartuigen

Om het volledige beeld te krijgen zijn twee ruimtevaartuigen nodig. En dat is precies wat heliofysici momenteel hebben in de vorm van het ruimtevaartuig Solar Orbiter, bestuurd door de European Space Agency en de Parker Solar Probe van NASA. Solar Orbiter is ontworpen om zo dicht mogelijk bij de zon te komen en toch teledetectie en in situ metingen uit te voeren. De Parker Solar Probe negeert grotendeels de teledetectie van de zon zelf om dichterbij te komen en ter plaatse metingen te kunnen doen.

Maar om optimaal van hun complementaire aanpak te kunnen profiteren, moet de Parker Solar Probe zich binnen het gezichtsveld van een van de instrumenten van de Solar Orbiter bevinden. Op deze manier kon Solar Orbiter de grootschalige gevolgen vastleggen van wat de Parker Solar Probe ter plaatse aan het meten was.

ESA’s Solar Orbiter is een van de twee geïntegreerde ruimtevaartuigen die de zon van dichtbij bestuderen: het voegt zich bij NASA’s Parker Solar Probe, die al bij zijn missie betrokken was. Bron: Solar Orbiter: ESA/ATG medialab; Parker Solar Probe: NASA/Johns Hopkins APL

Astrofysische coördinatie

Daniele Telloni, onderzoeker bij het Italiaanse Nationale Instituut voor Astrofysica (INAF) van het Astrophysical Observatory in Turijn, maakt deel uit van het team achter het Metis-instrument van de Solar Orbiter. Metis is een coronagraaf die het licht van het zonoppervlak blokkeert en foto’s maakt van de corona. Het is het perfecte hulpmiddel om te gebruiken voor grootschalige metingen, dus ging Daniele op zoek naar momenten waarop de Parker Solar Probe in de rij zou staan.

Er werd vastgesteld dat de twee ruimtevaartuigen zich op 1 juni 2022 ongeveer in de juiste orbitale configuratie zullen bevinden. In wezen zal de Solar Orbiter naar de zon kijken, en de Parker Solar Probe zal zich net opzij bevinden, dramatisch dichtbij maar buiten het gezichtsveld van het METS-instrument.

Toen Daniele naar het probleem keek, realiseerde hij zich dat het enige dat nodig was om licht op de Parker Solar Orbiter te laten schijnen een kleine oefening met de Solar Orbiter was: een rol van 45 graden en hem vervolgens iets van de zon af richten.

Maar toen elke manoeuvre van een ruimtemissie van tevoren zorgvuldig werd gepland, en wanneer de ruimtevaartuigen zelf ontworpen zijn om alleen in zeer specifieke richtingen te wijzen, vooral als ze te maken hebben met de angstaanjagende hitte van de zon, was het niet duidelijk dat het operatieteam van het ruimtevaartuig een dergelijke manoeuvre zou goedkeuren. . afwijking. Maar toen iedereen eenmaal duidelijk was over het potentiële wetenschappelijke rendement, was de beslissing een duidelijk ‘ja’.

ESA’s Solar Orbiter-missie zal de zon ontmoeten vanuit de baan van Mercurius bij zijn dichtste nadering. Bron: ESA/ATG medialab

Hack-notities

De rol- en offsetbesturing ging door; De Parker Solar Probe kwam in het gezichtsveld en samen produceerde het ruimtevaartuig de allereerste gelijktijdige metingen van de grootschalige samenstelling van de zonnecorona en de microfysische eigenschappen van het plasma.

“Dit werk is het resultaat van de bijdragen van veel mensen”, zegt Daniele, die leiding gaf aan de analyse van de datasets. Door samen te werken, waren ze in staat om de eerste gezamenlijke observationele en in situ schatting te maken van de coronale opwarmingssnelheid.

“Het kunnen gebruiken van zowel de Solar Orbiter als de Parker Solar Probe heeft een geheel nieuwe dimensie in dit onderzoek geopend”, zegt Gary Zank van de Universiteit van Alabama in Huntsville, VS, en co-auteur van het resulterende artikel.

Door de nieuw gemeten snelheid te vergelijken met theoretische voorspellingen van zonnefysici door de jaren heen, toonde Daniel aan dat zonnefysici grofweg gelijk hadden in hun identificatie van turbulentie als een middel voor energieoverdracht.

Artist’s concept van het ruimtevaartuig Parker Solar Probe dat de zon nadert. Afbeelding tegoed: NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben

De specifieke manier waarop de stoornis dit doet, is niet anders dan wat er gebeurt als u in uw ochtendkop koffie roert. Door willekeurige bewegingen van een vloeistof, gas of vloeistof, te stimuleren, wordt energie naar steeds kleinere schaalniveaus overgebracht, wat culmineert in de omzetting van energie in warmte. In het geval van de zonnecorona wordt de vloeistof ook gemagnetiseerd en is er dus ook opgeslagen magnetische energie beschikbaar om in warmte te worden omgezet.

Een dergelijke overdracht van magnetische energie en kinetische energie van grotere naar kleinere schaal is de essentie van turbulentie. Op de kleinste schaal kunnen de fluctuaties uiteindelijk interageren met individuele deeltjes, meestal protonen, en deze verwarmen.

Conclusies en implicaties

Er is nog veel meer werk nodig voordat we kunnen zeggen dat het probleem van de zonnewarmte is opgelost, maar dankzij Daniels werk hebben zonnefysici nu de eerste meting van dit proces kunnen doen.

“Dit is een wetenschappelijke primeur. Dit werk vertegenwoordigt een belangrijke stap voorwaarts in het oplossen van het probleem van coronale opwarming”, zegt Daniel Müller, projectwetenschapper.

Solar Orbiter is een ruimtemissie van internationale samenwerking tussen ESA en ESA NASAbeheerd door de Europese Ruimtevaartorganisatie.