Ons begrip van de zon heeft de afgelopen decennia een lange weg afgelegd, maar er zijn nog veel mysteries die huidige en toekomstige missies hopen op te lossen. Sinds we satellieten naar de ruimte begonnen te sturen, is onze kennis van de zon exponentieel toegenomen. We zagen de zon op nieuwe golflengten en namen onze lokale ster voor het eerst waar in ultraviolet en röntgenstraling. Deze waarnemingen onthulden veel nieuwe, onverklaarbare verschijnselen op de zon.
Veel van deze vroege zonnewaarnemingen zijn al lang geleden verklaard, maar er zijn nog steeds mysteries over de zon die wetenschappers proberen te begrijpen. Hier schetsen we drie van de belangrijkste openstaande raadsels van onze lokale ster, hoewel er zeker nog andere zijn. De meeste huidige en toekomstige projecten om de zon te observeren, vanaf de grond of in de ruimte, hebben een of meer van deze mysteries als primair wetenschappelijk doel.
Het probleem van coronale opwarming
De buitenste atmosfeer van de zon, de corona genoemd, heeft een temperatuur van ongeveer 1 miljoen graden Celsius. Het oppervlak van de zon, de fotosfeer, heeft echter een veel koelere temperatuur van 5.500 graden Celsius. Op het eerste gezicht lijkt dit een raadsel. Als de atmosfeer van de zon zijn energie van de zon krijgt, hoe kan de corona dan heter zijn dan de zon zelf? Een veelgebruikte analogie om dit te verklaren is een kampvuur: Als een kampvuur warmte afgeeft, zou je verwachten dat de lucht verder van het kampvuur koeler wordt, niet heter, zoals bij de zon het geval is. Maar dit is eigenlijk een afschuwelijke analogie omdat het de echte definitie van temperatuur in de natuurkunde verkeerd begrijpt. In de natuurkunde wordt temperatuur gedefinieerd als de hoeveelheid energie binnen de atomen waaruit een stof bestaat, bijvoorbeeld de lucht om je heen. Als luchtatomen met veel energie trillen, is de lucht heet. Als ze minder trillen, is de lucht koeler. Maar deze definitie houdt geen rekening met de dichtheid. Als de lucht dikker is met meer atomen van dezelfde temperatuur, verandert de luchttemperatuur niet. Wat wel verandert, is de energie in de lucht om ons heen.
In de context van de zon is de corona dus veel heter, maar met een veel lagere dichtheid, dan het oppervlak van de zon. Het oppervlak daarentegen is koeler, maar heeft een veel hogere dichtheid. Het resultaat is dat hoewel de temperatuur van de fotosfeer lager is, de totale energie nog steeds hoger is. Maar hoewel we weten dat de corona heet is door de hogere energie in de fotosfeer, lost dit nog steeds het probleem van coronale verwarming niet op. Wat een mysterie blijft, is hoe de energie van het oppervlak van de zon naar de atmosfeer wordt getransporteerd. Er zijn meerdere theorieën, maar onze waarnemingen hebben nog geen sluitend bewijs opgeleverd.
De interne dynamo van de zon en de zonnecyclus
De zon volgt een 11-jarige cyclus van toenemende en afnemende activiteit. Op het hoogtepunt van deze zonnecyclus, het zogenaamde zonnemaximum, zijn er veel zonnevlekken, zonnevlammen en coronale massa-ejecties (CME's). Tijdens het zonneminimum is de zon maanden tot jaren achtereen inactief. De periode van de 11-jarige cyclus is redelijk voorspelbaar en valt consequent vrij dicht bij deze tijdspanne. Wat echter van cyclus tot cyclus aanzienlijk verandert, is de omvang van het zonnemaximum. Sommige zonnecycli hebben een piek die meer dan twee keer zo groot is als die van andere. In het algemeen begrijpen we wat de zonnecyclus aandrijft. Omdat de zon op verschillende breedtegraden met verschillende snelheden draait, wordt het wereldwijde magnetische veld langzaam groter en geconcentreerder, waardoor er meer magnetische activiteit ontstaat. Uiteindelijk wordt het magnetisch veld zo sterk dat het onder het oppervlak van de zon verdwijnt, waardoor een minimaal magnetisch veld zichtbaar wordt. Hoewel we dit op een topniveau begrijpen, is de ingewikkelde fysica die het magnetische veld van de zon van binnenuit aandrijft, de zonnedynamo, en waarom dat 11-jarige cycli met variërende pieken veroorzaakt, nog niet volledig begrepen.
Het aantal zonnevlekken tijdens elke zonnecyclus - Foto: NOAA
Voorspellen van zonnevlammen en CME's
Zonnevlammen en CME's (uitbarstingen van de zon) zijn de belangrijkste oorzaken van ruimteweer - de invloed van de zon op de omgeving van de aarde, met gevolgen voor onze elektriciteitsnetten, satellieten en radiocommunicatie. Over de hele wereld geven tientallen ruimteweervoorspellers regelmatig voorspellingen vrij aan de belangrijkste belanghebbenden om hen te informeren over mogelijke verstoringen door de zon. Deze voorspellers doen fantastisch werk, maar ze worden zeer beperkt door zowel de beschikbare waarnemingen als onze beperkte collectieve kennis over de oorzaken van zonnevlammen en CME's. Momenteel zijn onze voorspellingen van zonnevlammen en CME's probabilistisch en reactief. We kunnen bepalen wanneer de kans groot is dat ze zich voordoen, maar niet wanneer ze precies zullen uitbarsten. Om deze gebeurtenissen beter te kunnen voorspellen, moeten we eerst de ingewikkelde processen begrijpen die vlammen en CME's op zeer kleine schaal in gang zetten. Dit is een ander belangrijk gebied van lopend onderzoek.
Satellieten en observatoria op aarde moeten antwoorden geven
We bevinden ons momenteel in een tijdperk waarin veel gegevens beschikbaar zijn voor onderzoek naar zonnefysica. In de ruimte heeft NASA een groot aantal heliofysische missies in een baan om de aarde, waaronder het Solar Dynamics Observatory en de Interface Region Imaging Spectrograph. Later dit decennium komt daar NASA's Multi-slit Solar Explorer-missie bij. Belangrijke telescopen in een baan om de aarde zijn onder andere Japan's Hinode, India's Aditya-L1 en China's Advanced Space-based Solar Observatory. In een baan om de zon hebben we de Solar Orbiter van de European Space Agency en de Parker Solar Probe van NASA. En tot slot hebben we een groot aantal zonnetelescopen op de grond, waarvan de Inouye Solar Telescope van de National Science Foundation de grootste is. Samen leveren deze zonnefysicamissies, samen met andere, fantastisch werk door de gegevens te leveren die nodig zijn om de grote mysteries van de zon op te lossen.
Bron: Space.com
