Hoe bracht NJIT de magnetische motor van de zon in kaart?

Hoe hebben NJIT-fysici de magnetische motor van de zon getraceerd met behulp van zonne-oscillatiegegevens?

NJIT-fysici hebben de magnetische motor van de zon getraceerd door bijna 30 jaar aan zonne-oscillatiegegevens van NASA's MDI- en HMI-instrumenten te analyseren, samen met het GONG-netwerk op de grond. Door gebruik te maken van helioseismische technieken om geluidsgolven van turbulent plasma te meten, identificeerden zij rotatiebanden en lokaliseerden zij de zonne-dynamo op ongeveer 200.000 kilometer onder het oppervlak, binnen de tachocline.

Helioseismologie werkt op vergelijkbare wijze als terrestrische seismologie, waarbij wetenschappers geluidsgolven gebruiken om het binnenste van een hemellichaam in kaart te brengen. Voor deze studie verbond hoofdauteur Krishnendu Mandal, onderzoekshoogleraar natuurkunde aan het New Jersey Institute of Technology (NJIT), waarnemingen van de Michelson Doppler Imager (MDI), de Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) en de Global Oscillation Network Group (GONG). Deze instrumenten hebben sinds het midden van de jaren 90 elke 45 tot 60 seconden de interne trillingen van de Zon geregistreerd, wat een enorme dataset van miljarden individuele metingen heeft opgeleverd.

Zonne-oscillatiegegevens onthullen hoe heet plasma diep in de ster roteert en kolkt. Door verschuivingen in de reistijden van akoestische golven te analyseren, identificeerden de onderzoekers duidelijke banden van snellere en langzamere rotatie. Deze interne stromingspatronen vormen een vlindervormige migratie die de beweging van zonnevlekken weerspiegelt die aan het oppervlak worden waargenomen. Deze correlatie stelde het team in staat om de zonne-dynamo — de feitelijke machinekamer van het magnetisme van de ster — nauwkeurig te lokaliseren op een diepte die gelijkstaat aan 16 aardes die achter elkaar zijn geplaatst.

Waarom is de ontdekking van de magnetische motor van de zon belangrijk voor de voorspelling van ruimteweer?

Deze ontdekking is van cruciaal belang omdat het bevestigt dat de zonne-dynamo in de tachocline werkt, wat nauwkeurigerere ruimteweermodellen mogelijk maakt. Door de specifieke diepte van de magnetische motor van de Zon te identificeren, kunnen onderzoekers de voorspellingen verbeteren voor zonnevlammen en coronale massa-ejecties (CME's) die de satellietcommunicatie, gps-navigatie en elektriciteitsnetten op aarde bedreigen.

Ruimteweervoorspellingen zijn momenteel afhankelijk van simulaties die vaak de voorkeur geven aan magnetische processen dicht bij het oppervlak. De bevindingen van NJIT, gepubliceerd in Nature Scientific Reports op 12 januari 2026, suggereren echter dat de gehele convectiezone — en specifiek de tachocline — in deze modellen moet worden geïntegreerd om precisie te bereiken. Het begrijpen van de oorsprong van de zonnecyclus stelt wetenschappers in staat om de intensiteit van eruptieve gebeurtenissen te voorzien voordat ze zich manifesteren als zichtbare zonnevlekken op de fotosfeer.

Magnetische activiteit die diep in de ster ontstaat, kan er enkele jaren over doen om zich naar het oppervlak voort te planten. Door deze interne veranderingen vroegtijdig te volgen, hopen fysici de "waarschuwingstijd" voor ruimteweerswaarschuwingen te verlengen. Vanaf 18 maart 2026 blijft de huidige zonne-activiteit rustig, waarbij de zichtbaarheid van het poollicht beperkt blijft tot arctische gebieden zoals Tromsø, Noorwegen (breedtegraad 69,6). Het vermogen om te voorspellen wanneer de Kp-index kan pieken, zal echter sterk afhangen van deze nieuwe interne modellen.

Wat veroorzaakt zonnevlammen volgens het nieuwe onderzoek?

Volgens het onderzoek worden zonnevlammen aangedreven door magnetische fluctuaties die worden gegenereerd door de zonne-dynamo die zich op 200.000 kilometer diepte bevindt. Deze vlammen ontstaan wanneer schuifstromingen bij de tachocline intense magnetische velden organiseren die uiteindelijk naar het oppervlak stijgen, waarbij ze zonnevlekken creëren en de explosieve ontlading van energie veroorzaken die bekend staat als zonne-erupties.

Organisatie van het magnetisch veld vindt plaats op de grens tussen de stralingszone en de convectiezone. Deze dunne overgangslaag, de tachocline, vertoont abrupte veranderingen in rotatiesnelheden. Deze differentiële rotatiekrachten rekken magnetische veldlijnen uit en verdraaien ze, waardoor een enorme spanning wordt opgebouwd. Wanneer deze velden uiteindelijk door het oppervlak breken, manifesteren ze zich als zonnevlekken — de donkere, koelere gebieden die dienen als lanceerplatforms voor zonnevlammen.

Krishnendu Mandal merkte op dat zonnevlekken slechts de "zichtbare voetafdrukken" zijn van een veel groter, dieper gelegen systeem. Terwijl eerdere theorieën debatteerden over de vraag of de zonne-dynamo een fenomeen op oppervlakteniveau of een diepgeworteld verschijnsel was, levert deze studie het duidelijkste observationele bewijs tot nu toe dat de motor zich aan de basis van de convectiezone bevindt. Deze bevinding helpt de 11-jarige zonnecyclus te verklaren en waarom magnetische activiteit na verloop van tijd naar de evenaar migreert.

Luisteren naar de zon: De rol van helioseismologie

Helioseismologie is naar voren gekomen als het belangrijkste instrument om door de ondoorzichtige buitenlagen van de Zon te turen. Omdat licht het binnenste niet kan verlaten zonder te worden verstrooid, moeten fysici vertrouwen op akoestische golven die worden gegenereerd door turbulent plasma. Deze golven kaatsen rond in het binnenste van de ster en hun frequenties worden subtiel veranderd door de temperatuur en de beweging van het materiaal waar ze doorheen gaan. Door naar deze trillingen te "luisteren", reconstrueerde het NJIT-team een 3D-kaart van de verborgen dynamiek van de ster.

• Levensduur van de gegevens: Het team maakte gebruik van bijna 30 jaar aan ononderbroken gegevens, die bijna drie volledige 11-jarige zonnecycli beslaan.
• Instrumentele synergie: Het combineren van satellietgegevens van SOHO (NASA/ESA) en SDO (NASA) met het GONG-netwerk op de grond verminderde de observationele ruis.
• Patroonherkenning: De onderzoekers identificeerden zonale stromingen — ondergrondse "rivieren" van plasma — die overeenkomen met het vlinderdiagram van de verschijning van zonnevlekken.

De ontdekking op 200.000 kilometer: De tachocline in kaart gebracht

De tachocline vormt een cruciaal anatomisch kenmerk van de Zon, gelegen op ongeveer 200.000 kilometer onder het oppervlak. Dit gebied is een dun grensvlak waar de rotatie als een vast lichaam van de binnenste stralingszone de vloeistofachtige, differentiële rotatie van de convectiezone ontmoet. De schuifkrachten die hier worden gegenereerd, zijn sterk genoeg om magnetische velden te versterken tot onvoorstelbare intensiteiten. Het vinden van de magnetische motor op deze specifieke diepte lost een langlopend debat op in de heliofysica over waar het magnetisch veld van de ster wordt versterkt en opgeslagen.

Alexander Kosovichev, mede-auteur van de studie en NJIT Distinguished Professor, leidde de analyse bij NJIT’s Center for Computational Heliophysics. Het werk van het team laat zien dat de magnetische structurele veranderingen nabij de tachocline jaren voorafgaan aan activiteit aan het oppervlak. Dit suggereert dat de zonnecyclus niet slechts een oppervlakteverschijnsel is, maar een proces van de "gehele ster" dat in het diepe binnenste begint. Deze diepte — ongeveer 16 aardes diep — benadrukt de schaal van de krachten die betrokken zijn bij het aandrijven van de zonne-dynamo.

Implicaties voor de stellaire fysica en galactisch onderzoek

Stellair magnetisme is een universeel fenomeen, en de Zon dient als het primaire laboratorium voor het begrijpen van sterren in het hele sterrenstelsel. Veel sterren vertonen magnetische cycli die vergelijkbaar zijn met de onze, maar ze zijn te ver weg voor helioseismische analyse met een hoge resolutie. Door het model van de zonne-dynamo te perfectioneren, kunnen fysici deze "regels" toepassen op andere stersystemen, wat helpt bij het bepalen van de leefbaarheid van exoplaneten die onderworpen kunnen zijn aan stellaire vlammen die nog gewelddadiger zijn dan die van de Zon.

Expertise-signalen uit het onderzoek wijzen op een grote impact op het vakgebied, aangezien het werd ondersteund door het NASA DRIVE Science Center, een prestigieuze samenwerking van 13 Amerikaanse universiteiten. Het onderzoek, getiteld "Helioseismic evidence that the solar dynamo originates near the tachocline" (DOI: 10.1038/s41598-025-34336-1), biedt een fundamenteel kader voor de volgende generatie zonnemissies. Het begrijpen van de magnetische motor is een cruciale stap in het beschermen van de moderne beschaving tegen de onvoorspelbare aard van onze dichtstbijzijnde ster.

Toekomstige richtingen: Verfijning van zonnevoorspellingen

Toekomstig onderzoek zal zich richten op het gebruik van dit referentiepunt van 200.000 kilometer om numerieke simulaties van de zonnecyclus te verfijnen. Hoewel de huidige bevindingen nog geen dagelijkse weersvoorspellingen op de Zon mogelijk maken, bieden ze de noodzakelijke coördinaten voor waar we moeten kijken. Het NJIT-team is van plan om de huidige zonnecyclus te blijven volgen om te zien of de interne stromingspatronen de specifieke intensiteit van het volgende zonnemaximum kunnen voorspellen.

Geavanceerde waarnemingen van toekomstige NASA-missies en verbeterde telescopen op de grond zullen waarschijnlijk voortbouwen op deze dataset van 30 jaar. Naarmate wetenschappers beter begrijpen hoe de tachocline zich in de loop van de tijd ontwikkelt, wordt het doel om een "weerkaart" voor het binnenste van de Zon te maken steeds realistischer. Voor nu staat de ontdekking als een mijlpaal in de heliofysica, waarbij eindelijk de verborgen motor is gelokaliseerd die de zonnecyclus al miljarden jaren aandrijft.