Wetenschappers zijn een stap dichter bij het identificeren van de mysterieuze oorsprong van de “langzame” zonnewind gekomen door gebruik te maken van gegevens die zijn verzameld tijdens de eerste reis van de ruimtesonde Solar Orbiter naar de zon. Zonnewind, die zich met honderden kilometers per seconde kan voortbewegen, fascineert wetenschappers al jaren en nieuw onderzoek, gepubliceerd in Nature Astronomy, werpt eindelijk licht op hoe het ontstaat.
Zonnewind beschrijft de continue uitstroom van geladen plasmadeeltjes van de zon naar de ruimte, waarbij een snelheid van meer dan 500 km per seconde 'snel' wordt genoemd en een snelheid van minder dan 500 km per seconde 'langzaam'. Wanneer deze wind de atmosfeer van de aarde raakt, kan dit resulteren in het verbluffende poollicht dat we kennen als het noorderlicht. Maar wanneer grotere hoeveelheden plasma vrijkomen, in de vorm van een coronale massa-ejectie, kan het ook gevaarlijk zijn en aanzienlijke schade veroorzaken aan satellieten en communicatiesystemen. Ondanks tientallen jaren van observaties zijn de bronnen en mechanismen die zonnewindplasma losmaken, versnellen en van de zon naar ons zonnestelsel transporteren nog niet goed begrepen, vooral niet de langzame zonnewind.
In 2020 lanceerde het Europees ruimteagentschap (ESA), met steun van NASA, de Solar Orbiter-missie. Naast het maken van de dichtstbijzijnde en meest gedetailleerde beelden van de zon ooit, is een van de belangrijkste doelen van de missie het meten en terugleiden van de zonnewind naar zijn oorsprong op het oppervlak van de zon. Omschreven als “het meest complexe wetenschappelijke laboratorium dat ooit naar de zon is gestuurd”, zijn er tien verschillende wetenschappelijke instrumenten aan boord van Solar Orbiter, sommige in situ om monsters van de zonnewind te verzamelen en te analyseren wanneer deze de ruimtesonde passeert, en andere instrumenten voor teledetectie die zijn ontworpen om beelden van hoge kwaliteit van de activiteit op het oppervlak van de zon vast te leggen. Door fotografische en instrumentele gegevens te combineren, hebben wetenschappers voor het eerst duidelijker kunnen vaststellen waar de trage zonnewind vandaan komt. Dit heeft hen geholpen om vast te stellen hoe deze wind de zon kan verlaten en zijn reis naar de heliosfeer kan beginnen, de gigantische bel rond de zon en haar planeten die ons zonnestelsel beschermt tegen interstellaire straling.
Dr. Steph Yardley van de Northumbria University in Newcastle upon Tyne leidde het onderzoek en legt uit: “De variabiliteit van zonnewindstromen die in situ op een ruimteschip dicht bij de zon worden gemeten, geven ons veel informatie over hun bronnen. Hoewel eerdere studies de oorsprong van de zonnewind hebben getraceerd, werd dit veel dichter bij de aarde gedaan, tegen die tijd is deze variabiliteit verloren gegaan. “Omdat Solar Orbiter zo dicht bij de zon reist, kunnen we de complexe aard van de zonnewind vastleggen om een veel duidelijker beeld te krijgen van zijn oorsprong en hoe deze complexiteit wordt aangedreven door de veranderingen in verschillende brongebieden.” Het verschil tussen de snelheid van de snelle en langzame zonnewind wordt toegeschreven aan de verschillende gebieden van de corona van de zon, de buitenste laag van haar atmosfeer, waar ze vandaan komen. De open corona verwijst naar gebieden waar magnetische veldlijnen slechts aan één kant aan de zon vastzitten en zich aan de andere kant in de ruimte uitstrekken. Deze gebieden zijn koeler en worden verondersteld de bron van de snelle zonnewind te zijn.
De gesloten corona verwijst naar gebieden van de zon waar de magnetische veldlijnen gesloten zijn, wat betekent dat ze aan beide uiteinden verbonden zijn met het zonneoppervlak. Deze zijn te zien als grote heldere lussen die zich boven magnetisch actieve gebieden vormen. Af en toe breken deze gesloten magnetische lussen, waardoor zonnemateriaal kortstondig kan ontsnappen, op dezelfde manier als door open magnetische veldlijnen, voordat het zich weer verbindt en weer een gesloten lus vormt. Dit gebeurt meestal in gebieden waar de open en gesloten corona elkaar ontmoeten. Een van de doelen van Solar Orbiter is het testen van een theorie dat de langzame zonnewind afkomstig is uit de gesloten corona en in staat is om de ruimte in te ontsnappen door dit proces van magnetische veldlijnen die breken en weer samenkomen.
Het wetenschappelijke team kon deze theorie onder andere testen door de “samenstelling” van zonnewindstromen te meten. De combinatie van zware ionen in zonnemateriaal verschilt afhankelijk van waar het vandaan komt: de hetere, gesloten corona versus de koelere, open corona. Met behulp van de instrumenten aan boord van Solar Orbiter kon het team de activiteit op het oppervlak van de zon analyseren en deze vervolgens vergelijken met de zonnewindstromen die door het ruimtevaartuig zijn verzameld. Door gebruik te maken van de beelden van het zonsoppervlak die door Solar Orbiter zijn gemaakt, konden ze nauwkeurig vaststellen dat de trage windstromen afkomstig waren van een gebied waar de open en gesloten corona elkaar ontmoetten. Dit bewijst de theorie dat de trage wind kan ontsnappen uit gesloten magnetische veldlijnen door het proces van breken en herconnectie.
. Dr. Yardley van de Northumbria University's Solar and Space Physics onderzoeksgroep legt uit: “De variërende samenstelling van de zonnewind gemeten op Solar Orbiter kwam overeen met de verandering in samenstelling tussen de bronnen in de corona. “De veranderingen in de samenstelling van de zware ionen en de elektronen leveren het sterke bewijs dat de variabiliteit niet alleen wordt veroorzaakt door de verschillende brongebieden, maar ook door reconnectieprocessen tussen de gesloten en open lussen in de corona.” De ESA Solar Orbiter-missie is een internationale samenwerking, waarbij wetenschappers en instellingen van over de hele wereld samenwerken en specialistische vaardigheden en apparatuur inbrengen. Daniel Müller, ESA Project Scientist voor Solar Orbiter, zei: “Vanaf het begin is een centraal doel van de Solar Orbiter-missie geweest om dynamische gebeurtenissen op de zon te koppelen aan hun invloed op de omringende plasmabel van de heliosfeer. “Om dit te bereiken moeten we waarnemingen van de zon op afstand combineren met metingen van de zonnewind die langs het ruimteschip stroomt. Ik ben enorm trots op het hele team dat deze complexe metingen met succes heeft uitgevoerd.
“Dit resultaat bevestigt dat Solar Orbiter in staat is om robuuste verbanden te leggen tussen de zonnewind en zijn brongebieden op het zonneoppervlak. Dit was een belangrijke doelstelling van de missie en opent de weg voor ons om de oorsprong van de zonnewind in ongekend detail te bestuderen.” Een van de instrumenten aan boord van Solar Orbiter is de Zware Ionensensor (HIS), mede ontwikkeld door onderzoekers en ingenieurs van het Space Physics Research Laboratory van de Universiteit van Michigan in het departement Climate and Space Sciences and Engineering. De sensor is ontworpen om zware ionen in de zonnewind te meten, die gebruikt kunnen worden om te bepalen waar de zonnewind vandaan komt. “Elke regio van de zon kan een unieke combinatie van zware ionen hebben, die de chemische samenstelling van een zonnewindstroom bepaalt. “Omdat de chemische samenstelling van de zonnewind constant blijft tijdens zijn reis door het zonnestelsel, kunnen we deze ionen gebruiken als een vingerafdruk om de oorsprong van een specifieke stroom van de zonnewind in het onderste deel van de atmosfeer van de zon te bepalen,” zei Susan Lepri, professor in klimaat- en ruimtewetenschappen aan de Universiteit van Michigan en plaatsvervangend hoofdonderzoeker van de Zware Ionensensor.
De elektronen in de zonnewind worden gemeten met een Electron Analyser System (EAS), ontwikkeld door het Mullard Space Science Laboratory van de UCL, waar Dr. Yardley een Honorary Fellow is. Professor Christopher Owen van de UCL zei: “De instrumententeams hebben meer dan tien jaar besteed aan het ontwerpen, bouwen en klaarmaken van hun sensoren voor de lancering, en aan het plannen van de beste manier om ze op een gecoördineerde manier te laten werken. Het is dan ook zeer verheugend om nu te zien hoe de gegevens worden samengevoegd om te onthullen welke regio's van de zon de langzame zonnewind en zijn variabiliteit aandrijven.” De Proton-Alpha Sensor (PAS), die de windsnelheid meet, is ontworpen en ontwikkeld door het Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie van de Paul Sabatier Universiteit in Toulouse, Frankrijk. Samen vormen deze instrumenten de zonnewindanalysatorsuite aan boord van Solar Orbiter, waarvoor Professor Owen van UCL hoofdonderzoeker is. Over toekomstige onderzoeksplannen zei Dr. Yardley: “Tot nu toe hebben we alleen de gegevens van Solar Orbiter op deze manier geanalyseerd voor dit specifieke interval. Het zal erg interessant zijn om andere gevallen te bekijken met behulp van Solar Orbiter en ook om een vergelijking te maken met datasets van andere close-in missies zoals NASA's Parker Solar Probe.”
Bron: Psych.org
