Sond flög närmare solen – skriver om fysiken bakom koronan

Nära nog att känna solens andedräkt: en rymdfarkost flög närmare solen än någonsin

Tidigare i år flög en rymdfarkost närmare solen än någon annan utforskare i historien och levererade en uppsättning mätningar som tvingar fysiker att skriva om ett klassiskt problem inom solforskning. NASA:s Parker Solar Probe har upprepade gånger dykt djupt in i solens yttre atmosfär och kommit så nära som cirka 3,8 miljoner miles från den synliga solytan under sina mest djärva möten. Dessa råa in-situ-mätningar av partiklar och fält — tagna där solvinden föds och fortfarande interagerar kraftfullt med solens magnetfält — används nu med nya analysverktyg för att avslöja hur energi överförs till vinden och varför koronan håller en temperatur på miljontals grader.

Parker Solar Probe sköts upp 2018 och använder en sekvens av gravitationsslungor vid Venus för att sänka sitt perihelium in i den inre heliosfären. Under sina närmaste passager har rymdfarkosten korsat in i regioner som fram tills nyligen var rent teoretiskt territorium för heliofysiker. Denna närhet är avgörande: instrumenten ombord på sonden samplar hastighetsfördelningen hos joner och elektroner direkt, inte indirekt via avlägsna ljus- eller radiosignaturer. Dessa fördelningar liknar inte de enkla, klockformade Maxwell-fördelningarna som många modeller förutsätter; istället är de sneda och strukturerade och bär fingeravtryck av nyligen skedd uppvärmning och vågaktivitet.

Eftersom sonden fysiskt korsar koronan och den unga solvinden kan forskare jämföra lokala mätningar med förväntningarna från långvariga teorier. Datamängden är ovanlig i både sin närhet och precision: magnetfält, partikelhastigheter och densiteter, elektromagnetiska vågor över ett intervall av frekvenser — allt mätt inom några miljoner miles från solen. Det är denna kombination som låter forskare testa, förkasta och förfina de uppvärmningsmekanismer som har debatterats i över ett århundrade.

Varför rymdfarkostens rekordnära passage avslöjar ledtrådar om koronauppvärmning

Det sekelgamla mysteriet i centrum för dessa observationer är problemet med koronans uppvärmning: solens yttre atmosfär, koronan, är flera storleksordningar varmare än den synliga ytan under den. Fotosfären ligger kring 5 800 kelvin, men koronan når temperaturer på miljontals kelvin. Hur energi rör sig från solens lägre lager upp till en tunn plasma som ändå blir mycket varmare har varit en gåta ända sedan höga koronatemperaturer först härleddes i början av 1900-talet.

Nya studier som publicerats i år använder Parkers närgångna mätningar tillsammans med ett numeriskt analysverktyg kallat ALPS — Arbitrary Linear Plasma Solver — för att konfrontera gåtan direkt. ALPS låter forskare beräkna hur observerade, icke-Maxwellska hastighetsfördelningar hos partiklar interagerar med elektromagnetiska vågor på jonskala: vilka vågor som sänds ut, vilka som absorberas och hur mycket energi som utbyts. Resultatet är en betydligt mer detaljerad redogörelse för energiflödet i den inre heliosfären än tidigare modeller som antog termaliserade partikelpopulationer.

Vad sonden fann: vågor, dämpning och långsam avkylning

Huvudslutsatsen från den nya analysen är att solvinden inte bara expanderar och svalnar när den lämnar solen; snarare utsätts den för kontinuerlig uppvärmning från småskaliga våg-partikel-interaktioner. Parkers mätningar visar ihållande anisotropier och avvikelser från termisk jämvikt i jonhastigheter, och ALPS indikerar att dessa icke-termiska särdrag möjliggör emission och absorption av vågor på jonskala. Absorptionen av dessa vågor av specifika partikelpopulationer överför energi till partiklarna och bromsar den avkylning som annars skulle bli resultatet av ren expansion.

Forskare beskriver den observerbara konsekvensen som "dämpning": vågenergi omvandlas till kinetisk rörelseenergi och omfördelas bland joner och elektroner. Denna dämpning är inte enhetlig — den beror på den lokala magnetiska geometrin, formen på hastighetsfördelningarna och vilka vågmodder som är närvarande — och denna rumsligt varierande uppvärmning hjälper till att förklara varför koronan förblir så varm nära solen och hur solvinden får sin fart när den strömmar utåt.

Konsekvenser för rymdväder, satelliter och astrofysik

Detta är inte bara esoteriska detaljer. En bättre förståelse för hur och var solvinden värms upp matas direkt in i modeller som förutsäger hur koronamassutkastningar och partikelstormar utvecklas på sin väg mot jorden. En mer realistisk behandling av partikelfördelningar och dämpning kommer att förändra beräkningar av hur snabba och energirika solutbrott blir när de färdas genom heliosfären. För operatörer av satelliter, elnät och flygrutter nära polerna kan detta innebära förbättrade varningar och minskade risker.

Bortom miljön nära jorden har fysiken som avslöjats där en rymdfarkost flög närmare solen än någonsin en bred räckvidd. Varma, magnetiserade plasman är allestädes närvarande i universum — i ackretionsskivor runt svarta hål, vindar från andra stjärnor och den tunna gasen mellan galaxer. Samma typer av våg-partikel-processer och icke-termiska hastighetsfördelningar kontrollerar sannolikt energidissipation även i dessa system, så lärdomarna från Parker kommer att införlivas i astrofysiska modeller under många år framöver.

Hur detta förändrar bilden och vad som händer härnäst

Fram tills nu har många modeller behandlat den begynnande solvinden som i princip termisk och använt förenklade beskrivningar för våguppvärmning. De nya direktmätningarna visar att dessa antaganden missar viktiga kanaler för energiöverföring. Genom att kombinera in-situ-data med lösare som ALPS kan forskare nu förutsäga vilka partikelpopulationer som vinner energi och vid vilka radiella avstånd — förutsägelser som kan valideras mot Parkers upprepade passager allt eftersom rymdfarkosten samplar olika delar av koronan genom solcykeln.

Nästa steg inkluderar att utöka uppsättningen analyserade möten, jämföra Parkers data med fjärrobservationer från andra rymdfarkoster och införliva de förfina uppvärmningstermerna i globala heliosfäriska modeller. Team arbetar redan med att kartlägga "punkten utan återvändo" i solens atmosfär — gränsen där plasma undkommer solens magnetiska inneslutning — och att kartlägga hur dämpning och vågabsorption förändras med solaktiviteten. Allt eftersom Parker fortsätter att sänka sitt perihelium kommer dessa kartor att få högre upplösning och större förutsägelsekraft.

Källor