Onderzoekers van het National Solar Observatory (NSF NSO) van de Amerikaanse National Science Foundation, het Max Planck Institute for Solar System Research (MPS) in Duitsland en het High Altitude Observatory (HAO) in de VS hebben een baanbrekende ontdekking gedaan op het gebied van de zonnefysica.
Nieuwe beelden van het oppervlak van de Zon, gemaakt met ’s werelds grootste zonnetelescoop, de NSF Daniel K. Inouye Solar Telescope, gebouwd en beheerd door het NSO op Hawaï, in combinatie met zeer geavanceerde computersimulaties, onthullen minuscule plasmawervelingen die nog nooit eerder zichtbaar waren gemaakt. „Om de wervelingen te detecteren, moesten we structuren op het zonneoppervlak met een omvang van ongeveer 20 kilometer kunnen waarnemen. Dat ligt op de grens van wat zelfs de grootste zonnetelescoop ter wereld en de modernste simulaties kunnen bereiken”, aldus MPS-wetenschapper en medeauteur van de nieuwe publicatie Michiel van Noort, die onder andere heeft bijgedragen aan de waarnemingen en de gegevensverwerking en beeldrestauratie heeft uitgevoerd. De onderzoekers maakten gebruik van een breedbandbeeldcamera die ter beschikking was gesteld door het Max Planck Institute for Solar System Research (MPS).
De wervelingen doen zich voor aan de randen van zogenaamde granulen, die het zichtbare oppervlak van de Zon dicht bedekken. Ze hebben een diameter tussen de 500 en 2.000 kilometer. Samen vormen ze de granulatie van de Zon: een patroon dat doet denken aan de bubbels in een kokende vloeistof. In feite is de granulatie het gevolg van plasmastromen die vanuit het hete binnenste van de Zon opstijgen, afkoelen en weer naar de diepte zakken. In het nieuwe onderzoek zijn onderzoekers er nu voor het eerst in geslaagd om randachtige structuren aan de randen van de granules in beeld te brengen. Keer op keer vertonen deze structuren wervelende bewegingen die lijken op brekende oceaangolven. Sommige van deze ‘randen’ zijn amper 20 kilometer breed. Het in beeld brengen van deze delicate structuren is vergelijkbaar met het onderscheiden van een muntstuk van één euro vanaf een afstand van 180 kilometer.
Instabiliteiten in het zonneplasma
De onderzoekers interpreteren de wervelende plasmastromen als tekenen van Kelvin-Helmholtz-instabiliteiten. Dit is een bekend verschijnsel in de vloeistofdynamica. Het treedt op wanneer twee vloeistoffen met verschillende snelheden langs elkaar stromen. Hierdoor ontstaan er schuifkrachten op het grensvlak, waardoor minuscule verstoringen uitgroeien tot golf- of wervelachtige stromingen. Het effect manifesteert zich in een breed scala aan contexten en op verschillende schaalniveaus, bijvoorbeeld op het oppervlak van meren of in oceaangolven, bij wolkenvorming, in de atmosferen van de reusachtige gasplaneten Jupiter en Saturnus, en in de interactie van de zonnewind met planetaire magnetosferen. Blijkbaar stromen ook aan de randen van zonnegranules aangrenzende plasmalagen met verschillende snelheden, waardoor de noodzakelijke omstandigheden voor Kelvin-Helmholtz-instabiliteiten worden gecreëerd.
Verdraaide magnetische veldlijnen
De minuscule plasmawervelingen die nu op de Zon zijn ontdekt, bieden een geheel nieuw inzicht in de processen waarmee de Zon energie opslaat en vrijgeeft in haar magnetisch veld, bijvoorbeeld in de vorm van minuscule stralingsuitbarstingen die bekendstaan als nanoflares. Volgens de huidige theorie bouwt de Zon magnetische energie op naarmate magnetische veldlijnen zich verdraaien en oprollen, vergelijkbaar met de mechanische energie die wordt opgeslagen in een strak opgerolde metalen veer. Dit leidt tot een zeer energetische maar ook onstabiele magnetische veldstructuur. De opgeslagen energie kan plotseling vrijkomen. Tijdens dit proces, dat bekendstaat als ‘magnetische reconnectie’, springen de gedraaide magnetische veldlijnen open en verbinden ze zich opnieuw. Het was tot nu toe echter onduidelijk wat er eigenlijk voor zorgt dat de magnetische veldlijnen überhaupt gaan verdraaien. De nieuwe ontdekking zou een deel van het antwoord op deze vraag kunnen bieden. Aangezien de wervelingen blijkbaar voortdurend voorkomen en overal waar het magnetische veld sterk genoeg is, zouden ze de drijvende kracht kunnen zijn die de verdraaiing regelmatig in gang zet.
Uit de analyses blijkt ook dat de mini-wervelingen gemagnetiseerd en niet-gemagnetiseerd plasma aan het zonneoppervlak efficiënt door elkaar mengen. Dit zou ertoe kunnen bijdragen dat het magnetisch veld zich snel vanuit het oppervlak naar de atmosfeer van de Zon verspreidt. Aangedreven door veranderingen in het magnetisch veld van de zon fluctueert de activiteit van onze ster in een cyclus van elf jaar, wat op kosmische schaal uitzonderlijk snel is. Een dergelijke snelle verandering in het magnetische „raamwerk“ van de zon is alleen mogelijk als magnetische flux efficiënt door de zonneatmosfeer kan worden afgevoerd. Bestaande modellen kunnen een dergelijke snelle diffusie niet verklaren. Ook op dit punt zouden de nieuw ontdekte wervelingen ons begrip een beslissende stap vooruit kunnen helpen.
Bron: Max Planck Institute for Solar System Research (MPS)
