NASA betreedt voor het eerst de zonne-atmosfeer

Een belangrijke mijlpaal en nieuwe resultaten van NASA’s Parker Solar Probe werden op 14 december aangekondigd tijdens een persconferentie op de 2021 American Geophysical Union Fall Meeting in New Orleans. De resultaten zijn gepubliceerd in Physical Review Letters en geaccepteerd voor publicatie in het Astrophysical Journal.

Voor het eerst in de geschiedenis heeft een ruimtevaartuig de zon aangeraakt. NASA’s Parker Solar Probe is nu door de bovenste atmosfeer van de zon gevlogen – de corona – en heeft daar deeltjes en magnetische velden bemonsterd. 

De nieuwe mijlpaal markeert een grote stap voor Parker Solar Probe en een grote sprong voorwaarts voor de zonnewetenschap. Net zoals de landing op de maan wetenschappers in staat stelde te begrijpen hoe deze werd gevormd, zal het aanraken van het materiaal waarvan de zon is gemaakt wetenschappers helpen om cruciale informatie te ontdekken over onze dichtstbijzijnde ster en zijn invloed op het zonnestelsel. 

“Parker Solar Probe “de zon aanraken” is een monumentaal moment voor zonnewetenschap en een werkelijk opmerkelijke prestatie”, zegt Thomas Zurbuchen, de associate administrator voor het Science Mission Directorate op het NASA-hoofdkwartier in Washington. “Deze mijlpaal geeft ons niet alleen diepere inzichten in de evolutie van onze zon en de impact ervan op ons zonnestelsel, maar alles wat we leren over onze eigen ster leert ons ook meer over sterren in de rest van het universum.”

Terwijl hij dichter bij het zonneoppervlak cirkelt, doet Parker nieuwe ontdekkingen dat andere ruimtevaartuigen te ver weg waren om te zien, ook vanuit de zonnewind – de stroom deeltjes van de zon die ons op aarde kan beïnvloeden. In 2019 ontdekte Parker dat magnetische zigzagstructuren in de zonnewind, switchbacks genaamd, dicht bij de zon overvloedig aanwezig zijn. Maar hoe en waar ze ontstaan, bleef een mysterie. Sindsdien is de afstand tot de zon gehalveerd en is de Parker Solar Probe nu dicht genoeg gepasseerd om één plaats te identificeren waar ze vandaan komen: het zonneoppervlak.

De eerste passage door de corona – en de belofte van nog meer flybys – zal gegevens blijven opleveren over fenomenen die onmogelijk van veraf te bestuderen zijn.

“Parker Solar Probe vliegt zo dicht bij de zon en detecteert nu omstandigheden in de magnetisch gedomineerde laag van de zonneatmosfeer – de corona – die we nooit eerder konden”, zegt Nour Raouafi, de Parker-projectwetenschapper bij het Johns Hopkins Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland. “We zien bewijs van aanwezigheid in de corona in magnetische veldgegevens, zonnewindgegevens en visueel in afbeeldingen. We kunnen het ruimtevaartuig daadwerkelijk door coronale structuren zien vliegen die kunnen worden waargenomen tijdens een totale zonsverduistering.”

Dichterbij dan ooit tevoren 

Parker Solar Probe werd in 2018 gelanceerd om de mysteries van de zon te verkennen door er dichterbij te komen dan enig ander ruimtevaartuig. Drie jaar na de lancering en decennia na de eerste conceptie is Parker eindelijk gearriveerd.

In tegenstelling tot de aarde heeft de zon geen vast oppervlak. Maar het heeft wel een oververhitte atmosfeer, gemaakt van zonnemateriaal dat door zwaartekracht en magnetische krachten aan de zon is gebonden. Terwijl stijgende hitte en druk dat materiaal van de zon wegduwen, bereikt het een punt waar de zwaartekracht en magnetische velden te zwak zijn om het te bevatten.

Dat punt, bekend als het kritische oppervlak van Alfvén, markeert het einde van de zonneatmosfeer en het begin van de zonnewind. Zonnemateriaal met de energie om over die grens te komen, wordt de zonnewind, die het magnetische veld van de zon meesleurt terwijl het door het zonnestelsel, naar de aarde en verder raast. Belangrijk is dat de zonnewind voorbij het kritische oppervlak van Alfvén zo snel beweegt dat golven in de wind nooit snel genoeg kunnen reizen om terug te keren naar de zon – waardoor hun verbinding wordt verbroken. 

Tot nu toe wisten onderzoekers niet precies waar het kritische oppervlak van Alfvén lag. Gebaseerd op externe beelden van de corona, hadden schattingen het ergens tussen de 10 tot 20 zonnestralen vanaf het oppervlak van de zon geplaatst – 4,3 tot 8,6 miljoen mijl. De spiraalvormige baan van Parker brengt het langzaam dichter bij de zon en tijdens de laatste paar passen was het ruimtevaartuig constant onder de 20 zonnestralen (91 procent van de afstand van de aarde tot de zon), waardoor het in de positie was om de grens te overschrijden – als de schattingen waren correct.

Op 28 april 2021, tijdens zijn achtste vlucht langs de zon, ontmoette Parker Solar Probe de specifieke magnetische en deeltjescondities op 18,8 zonnestralen (ongeveer 8,1 miljoen mijl) boven het zonneoppervlak, wat wetenschappers vertelde dat het het kritische oppervlak van Alfvén was gepasseerd voor de eerste keer en kwam uiteindelijk in de zonneatmosfeer.

“We hadden volledig verwacht dat we vroeg of laat de corona voor minstens een korte tijd zouden tegenkomen”, zegt Justin Kasper, hoofdauteur van een nieuw artikel over de mijlpaal gepubliceerd in Physical Review Letters, en plaatsvervangend chief technology officer bij BWX Technologies, Inc. en professor aan de Universiteit van Michigan. “Maar het is heel spannend dat we het al hebben bereikt.”  

In het oog van de storm 

Tijdens de flyby ging Parker Solar Probe meerdere keren de corona in en uit. Dit is bewezen wat sommigen hadden voorspeld – dat het kritieke oppervlak van Alfvén niet de vorm heeft van een gladde bal. Het heeft eerder pieken en dalen die het oppervlak rimpelen. Door te ontdekken waar deze uitsteeksels in lijn liggen met zonneactiviteit die van het oppervlak komt, kunnen wetenschappers leren hoe gebeurtenissen op de zon de atmosfeer en de zonnewind beïnvloeden.

Zes panelen met afbeeldingen genomen vanuit een coronale streamer.  Ze lijken grijsachtig met witte strepen die deeltjes in de zonnewind laten zien.

Terwijl Parker Solar Probe bij ontmoeting negen door de corona ging, vloog het ruimtevaartuig langs structuren die coronale streamers worden genoemd. Deze structuren kunnen worden gezien als heldere elementen die naar boven bewegen in de bovenste afbeeldingen en naar beneden gericht zijn in de onderste rij. Zo’n zicht is alleen mogelijk omdat het ruimtevaartuig boven en onder de streamers in de corona vloog. Tot nu toe waren streamers alleen van ver te zien. Ze zijn zichtbaar vanaf de aarde tijdens totale zonsverduisteringen.Credits: NASA/Johns Hopkins APL/Naval Research Laboratory

Op een gegeven moment, toen de Parker Solar Probe tot net onder de 15 zonnestralen (ongeveer 6,5 miljoen mijl) van het oppervlak van de zon zakte, passeerde hij een functie in de corona die een pseudostreamer wordt genoemd. Pseudostreamers zijn enorme structuren die boven het oppervlak van de zon uitsteken en vanaf de aarde te zien zijn tijdens zonsverduisteringen.

Het passeren van de pseudostreamer was als vliegen in het oog van een storm. In de pseudostreamer werden de omstandigheden rustiger, de deeltjes vertraagden en het aantal haarspeldbochten daalde – een dramatische verandering ten opzichte van het drukke spervuur ​​​​van deeltjes dat het ruimtevaartuig gewoonlijk tegenkomt in de zonnewind. 

Voor het eerst bevond het ruimtevaartuig zich in een gebied waar de magnetische velden sterk genoeg waren om de beweging van deeltjes daar te domineren. Deze omstandigheden waren het definitieve bewijs dat het ruimtevaartuig het kritische oppervlak van Alfvén was gepasseerd en de zonneatmosfeer was binnengegaan waar magnetische velden de beweging van alles in de regio bepalen.

De eerste passage door de corona, die slechts een paar uur duurde, is een van de vele die voor de missie zijn gepland. Parker zal steeds dichter bij de zon blijven draaien en uiteindelijk tot 8,86 zonnestralen (3,83 miljoen mijl) van het oppervlak komen. Aankomende flybys, waarvan de volgende in januari 2022 plaatsvindt, zullen Parker Solar Probe waarschijnlijk weer door de corona leiden.

“Ik ben opgewonden om te zien wat Parker vindt terwijl het de komende jaren herhaaldelijk door de corona gaat”, zegt Nicola Fox, divisiedirecteur van de Heliophysics Division op het NASA-hoofdkwartier. “De kans op nieuwe ontdekkingen is grenzeloos.”

De grootte van de corona wordt ook bepaald door zonneactiviteit. Naarmate de 11-jarige activiteitscyclus van de zon – de zonnecyclus – toeneemt, zal de buitenrand van de corona uitzetten, waardoor Parker Solar Probe een grotere kans heeft om voor langere tijd in de corona te blijven.

“Het is een heel belangrijke regio om binnen te komen, omdat we denken dat allerlei soorten natuurkunde mogelijk worden ingeschakeld”, zei Kasper. “En nu komen we in die regio en hopelijk gaan we wat van deze fysica en gedragingen zien.”  

De oorsprong van Switchback verkleinen

Nog voor de eerste reizen door de corona kwamen er al verrassende fysica aan de oppervlakte. Bij recente zonne-ontmoetingen verzamelde Parker Solar Probe gegevens die de oorsprong van zigzagvormige structuren in de zonnewind, de zogenaamde haarspeldbochten, aanwijzen. De gegevens toonden aan dat één plek die haar oorsprong vindt in de haarspeldbochten zich op het zichtbare oppervlak van de zon bevindt – de fotosfeer. 

Tegen de tijd dat het de aarde bereikt, 93 miljoen mijl verderop, is de zonnewind een niet aflatende tegenwind van deeltjes en magnetische velden. Maar als hij aan de zon ontsnapt, is de zonnewind gestructureerd en fragmentarisch. Halverwege de jaren negentig vloog de NASA-Europese ruimtevaartorganisatie Ulysses over de polen van de zon en ontdekte een handvol bizarre S-vormige knikken in de magnetische veldlijnen van de zonnewind, die geladen deeltjes op een zigzagpad omleidden toen ze ontsnapten de zon. Decennia lang dachten wetenschappers dat deze occasionele haarspeldbochten eigenaardigheden waren die beperkt waren tot de poolgebieden van de zon.  

In 2019, op 34 zonnestralen van de zon, ontdekte Parker dat haarspeldbochten niet zeldzaam waren, maar veel voorkomend in de zonnewind . Deze hernieuwde interesse in de functies en nieuwe vragen: waar kwamen ze vandaan? Werden ze gesmeed aan het oppervlak van de zon, of gevormd door een of ander proces dat magnetische velden in de zonneatmosfeer vervormde?

De nieuwe bevindingen, gepubliceerd in het Astrophysical Journal, bevestigen eindelijk dat één oorsprongspunt zich in de buurt van het zonneoppervlak bevindt. 

De aanwijzingen kwamen toen Parker tijdens zijn zesde vlucht dichter bij de zon cirkelde, op minder dan 25 zonnestralen. Gegevens toonden aan dat switchbacks voorkomen in patches en een hoger percentage helium bevatten – waarvan bekend is dat het uit de fotosfeer komt – dan andere elementen. De oorsprong van de switchbacks werd verder versmald toen de wetenschappers ontdekten dat de patches waren uitgelijnd met magnetische trechters die uit de fotosfeer tevoorschijn komen tussen convectiecelstructuren die supergranules worden genoemd .

Behalve dat het de geboorteplaats is van haarspeldbochten, denken de wetenschappers dat de magnetische trechters de oorsprong kunnen zijn van een onderdeel van de zonnewind. De zonnewind is er in twee verschillende varianten – snel en langzaam – en de trechters kunnen zijn waar sommige deeltjes in de snelle zonnewind vandaan komen. 

“De structuur van de regio’s met haarspeldbochten komt overeen met een kleine magnetische trechterstructuur aan de basis van de corona”, zegt Stuart Bale, professor aan de University of California, Berkeley, en hoofdauteur van het nieuwe artikel over haarspeldbochten. “Dit is wat we van sommige theorieën verwachten, en dit lokaliseert een bron voor de zonnewind zelf.”

Begrijpen waar en hoe de componenten van de snelle zonnewind ontstaan, en of ze gekoppeld zijn aan haarspeldbochten, zou wetenschappers kunnen helpen een al lang bestaand zonnemysterie te beantwoorden : hoe de corona wordt verwarmd tot miljoenen graden, veel heter dan het zonneoppervlak eronder.

Hoewel de nieuwe bevindingen lokaliseren waar switchbacks worden gemaakt, kunnen de wetenschappers nog niet bevestigen hoe ze zijn gevormd. Eén theorie suggereert dat ze kunnen worden gecreëerd door plasmagolven die als een oceaanbranding door de regio rollen. Een ander beweert dat ze zijn gemaakt door een explosief proces dat bekend staat als magnetische herverbinding, waarvan wordt gedacht dat het plaatsvindt op de grenzen waar de magnetische trechters samenkomen.

“Mijn instinct is dat als we dieper in de missie gaan en lager en dichter bij de zon komen, we meer gaan leren over hoe magnetische trechters zijn verbonden met de haarspeldbochten,” zei Bale. “En hopelijk de vraag oplossen van welk proces ze maakt.”

erwijl Parker Solar Probe zich dichter bij de zon begeeft, komt het in onbekende regimes en doet het nieuwe ontdekkingen. 
Deze afbeelding geeft de afstanden van Parker Solar Probe tot de zon weer voor enkele van deze mijlpalen en ontdekkingen.
Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center/Mary P. Hrybyk-Keith

Nu onderzoekers weten waar ze op moeten letten, kunnen de nauwere passen van Parker nog meer aanwijzingen onthullen over haarspeldbochten en andere zonnefenomenen. De komende gegevens zullen wetenschappers een kijkje geven in een regio die van cruciaal belang is voor het oververhitten van de corona en het duwen van de zonnewind tot supersonische snelheden. Dergelijke metingen van de corona zullen van cruciaal belang zijn voor het begrijpen en voorspellen van extreme ruimteweergebeurtenissen die de telecommunicatie kunnen verstoren en satellieten rond de aarde kunnen beschadigen.

“Het is echt opwindend om te zien dat onze geavanceerde technologieën erin slagen om Parker Solar Probe dichter bij de zon te brengen dan we ooit zijn geweest, en om zo’n verbazingwekkende wetenschap te kunnen teruggeven”, zegt Joseph Smith, Parker-programmamanager op het NASA-hoofdkwartier. “We kijken ernaar uit om te zien wat de missie nog meer ontdekt als het de komende jaren nog dichterbij komt.”

Parker Solar Probe maakt deel uit van NASA’s Living with a Star-programma om aspecten van het zon-aarde-systeem te onderzoeken die rechtstreeks van invloed zijn op het leven en de samenleving. Het Living with a Star-programma wordt beheerd door het Goddard Space Flight Center van het bureau in Greenbelt, Maryland, voor NASA’s Science Mission Directorate in Washington. Het Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland, beheert de Parker Solar Probe-missie voor NASA en ontwierp, bouwde en exploiteert het ruimtevaartuig.

Gerelateerde Links


  • Bron: NASA.gov :

Door Mara Johnson-Groh 
NASA’s Goddard Space Flight Center  in Greenbelt, Md

Geef een reactie

Scroll naar top
%d bloggers liken dit: