Ruimtesonde vloog dichter bij de zon en herschrijft de fysica van de corona

Dichtbij genoeg om de adem van de zon te voelen: een ruimtevaartuig vloog dichter bij de zon dan ooit

Eerder dit jaar vloog een ruimtevaartuig dichter bij de zon dan enig andere verkenner in de geschiedenis en stuurde een reeks metingen terug die fysici dwingen om een klassiek probleem in de zonnewetenschap te herschrijven. NASA's Parker Solar Probe is herhaaldelijk diep in de buitenste atmosfeer van de zon gedoken, waarbij hij tijdens zijn meest gedurfde ontmoetingen tot op ongeveer 6,1 miljoen kilometer van het zichtbare zonsoppervlak kwam. Die ruwe, in-situ deeltjes- en veldmetingen — genomen op de plek waar de zonnewind wordt geboren en nog steeds een sterke interactie heeft met het magnetische veld van de zon — worden nu gebruikt met nieuwe analyse-instrumenten om te onthullen hoe energie wordt overgedragen op de wind en waarom de corona temperaturen van miljoenen graden bereikt.

De Parker Solar Probe werd in 2018 gelanceerd en maakt gebruik van een reeks zwaartekrachtsslingers van Venus om zijn perihelium te verlagen tot in de binnenste heliosfeer. Tijdens zijn dichtste naderingen is het ruimtevaartuig binnengedrongen in gebieden die tot voor kort puur theoretisch terrein waren voor heliofysici. Die nabijheid is van groot belang: instrumenten aan boord van de sonde meten de snelheidsverdelingen van ionen en elektronen rechtstreeks, en niet indirect via licht- of radiosignalen op afstand. Die verdelingen lijken niet op de eenvoudige, klokvormige Maxwell-curves die in veel modellen worden verondersteld; in plaats daarvan zijn ze asymmetrisch en gestructureerd, en bevatten ze de vingerafdrukken van recente verhitting en golfactiviteit.

Omdat de sonde fysiek de corona en de jonge zonnewind doorkruist, kunnen wetenschappers lokale metingen vergelijken met de verwachtingen van langlopende theorieën. De dataset is ongebruikelijk in zowel nabijheid als nauwkeurigheid: magnetische velden, deeltjessnelheden en -dichtheden, elektromagnetische golven over een reeks frequenties — allemaal gemeten binnen enkele miljoenen kilometers van de zon. Die combinatie stelt onderzoekers in staat om verwarmingsmechanismen waarover al meer dan een eeuw wordt gedebatteerd, te testen, te verwerpen en te verfijnen.

Waarom de vlucht van het ruimtevaartuig dichter bij de zon aanwijzingen onthult over coronale verhitting

Het eeuwenoude mysterie dat de kern van deze waarnemingen vormt, is het coronale verhittingsvraagstuk: de buitenste atmosfeer van de zon, de corona, is vele malen heter dan het zichtbare oppervlak eronder. De fotosfeer heeft een temperatuur van ongeveer 5.800 kelvin, maar de corona bereikt temperaturen van miljoenen kelvin. Hoe energie van de lagere lagen van de zon omhoog beweegt naar een ijl plasma dat desalniettemin veel heter wordt, is een raadsel sinds de hoge coronale temperaturen voor het eerst werden afgeleid in de vroege 20e eeuw.

Nieuw werk dat dit jaar is gepubliceerd, gebruikt de nabije metingen van Parker samen met een numeriek analyse-instrument genaamd ALPS — de Arbitrary Linear Plasma Solver — om dat raadsel direct aan te pakken. Met ALPS kunnen wetenschappers berekenen hoe waargenomen, niet-Maxwelliaanse snelheidsverdelingen van deeltjes reageren op elektromagnetische golven op ion-schaal: welke golven worden uitgezonden, welke worden geabsorbeerd en hoeveel energie er wordt uitgewisseld. Het resultaat is een veel gedetailleerdere boekhouding van de energiestroom in de binnenste heliosfeer dan in eerdere modellen, die uitgingen van gethermaliseerde deeltjespopulaties.

Wat de sonde ontdekte: golven, demping en langzame afkoeling

De belangrijkste conclusie uit de nieuwe analyse is dat de zonnewind niet simpelweg uitdijt en afkoelt terwijl hij van de zon ontsnapt; in plaats daarvan ondergaat hij voortdurende verhitting door kleinschalige interacties tussen golven en deeltjes. De metingen van Parker tonen aanhoudende anisotropieën en afwijkingen van het thermisch evenwicht in ionensnelheden, en ALPS geeft aan dat deze niet-thermische kenmerken de emissie en absorptie van golven op ion-schaal mogelijk maken. Absorptie van deze golven door specifieke deeltjespopulaties draagt energie over aan deeltjes en vertraagt de afkoeling die anders het gevolg zou zijn van pure uitdijing.

Wetenschappers beschrijven het waarneembare gevolg als 'demping': golfenergie wordt omgezet in kinetische energie van deeltjes en herverdeeld onder ionen en elektronen. Die demping is niet uniform — het hangt af van de lokale magnetische geometrie, de vorm van de snelheidsverdelingen en welke golfmodi aanwezig zijn — en deze ruimtelijk variërende verhitting helpt verklaren waarom de corona zo heet blijft dicht bij de zon en hoe de zonnewind zijn snelheid krijgt terwijl hij naar buiten stroomt.

Gevolgen voor ruimteweer, satellieten en astrofysica

Dit zijn niet alleen esoterische details. Een beter begrip van hoe en waar de zonnewind wordt verhit, voedt direct de modellen die voorspellen hoe coronale massa-ejecties en deeltjesstormen zich ontwikkelen op weg naar de aarde. Een realistischere behandeling van deeltjesverdelingen en demping zal de berekeningen veranderen van hoe snel en hoe energierijk zonne-erupties worden terwijl ze door de heliosfeer reizen. Voor exploitanten van satellieten, elektriciteitsnetten en luchtvaartroutes nabij de polen kan dat leiden tot betere waarschuwingen en minder risico.

Buiten de directe omgeving van de aarde heeft de fysica die ontrafeld is waar een ruimtevaartuig dichter bij de zon vloog dan ooit, een groot bereik. Hete, gemagnetiseerde plasma's komen overal in het universum voor — in accretieschijven rond zwarte gaten, winden van andere sterren en het ijle gas tussen sterrenstelsels. Dezelfde soort processen tussen golven en deeltjes en niet-thermische snelheidsverdelingen regelen waarschijnlijk ook de energiedissipatie in die systemen, dus de lessen van Parker zullen de komende jaren worden verwerkt in astrofysische modellen.

Hoe dit het beeld verandert en wat er nu volgt

Tot nu toe behandelden veel modellen de ontluikende zonnewind als bij benadering thermisch en gebruikten ze vereenvoudigde voorschriften voor golfverhitting. De nieuwe, directe metingen laten zien dat die aannames belangrijke kanalen voor energieoverdracht missen. Door in-situ gegevens te combineren met solvers zoals ALPS, kunnen onderzoekers nu voorspellen welke deeltjespopulaties energie winnen en op welke radiale afstanden — voorspellingen die kunnen worden getoetst aan de herhaalde passages van Parker terwijl het ruimtevaartuig verschillende delen van de corona bemonstert gedurende de zonnecyclus.

Volgende stappen omvatten het uitbreiden van de set geanalyseerde ontmoetingen, het vergelijken van de gegevens van Parker met waarnemingen op afstand van andere ruimtevaartuigen en het opnemen van de verfijnde verwarmingstermen in globale heliosferische modellen. Teams werken al aan het in kaart brengen van het 'point of no return' in de atmosfeer van de zon — de grens waar plasma ontsnapt aan de magnetische insluiting van de zon — en aan het in kaart brengen van hoe demping en golfabsorptie veranderen met de zonneactiviteit. Naarmate Parker zijn perihelium blijft verlagen, zullen die kaarten aan resolutie en voorspellende kracht winnen.

Bronnen