Twee ruimtevaartuigen hebben een baanbrekende meting verricht die een 65 jaar oud kosmisch mysterie helpt oplossen: waarom de atmosfeer van de zon zo heet is. De atmosfeer van de zon wordt de corona genoemd. Het bestaat uit elektrisch geladen gas, plasma genaamd, met een temperatuur van ongeveer een miljoen graden Celsius. De temperatuur ervan is een eeuwig mysterie, aangezien de oppervlaktetemperatuur van de zon slechts ongeveer 6000 graden Celsius bedraagt. De corona zou koeler moeten zijn dan het oppervlak, omdat de energie van de zon in de kern van de kernoven komt, en hoe verder je van de warmtebron verwijderd bent, hoe koeler het op natuurlijke wijze wordt.De temperatuur van de corona is echter ruim 150 keer hoger dan die van het oppervlak. Er moet een andere methode zijn om energie over te dragen naar het plasma op het werk, wat is dat?

Op deze afbeelding, vastgelegd door het Metis-instrument van Solar Orbiter, is te zien hoe de buitenste atmosfeer van de zon, bekend als de corona, zich uitstrekt tot in de ruimte. Metis is een apparaat met meerdere golflengten dat werkt in zowel zichtbare als ultraviolette golflengten. Het is een coronagraaf, wat betekent dat hij fel zonlicht van het oppervlak van de zon blokkeert, waardoor het zwakkere licht zichtbaar wordt dat wordt verstrooid door deeltjes in de corona. In deze afbeelding vertegenwoordigt de wazige rode schijf de coronagraaf, terwijl de witte schijf een masker is dat wordt gebruikt om de afbeeldingsgrootte te comprimeren om de hoeveelheid onnodige downlinkgegevens te verminderen. Beeldcredits: ESA en NASA/Solar Orbiter/Metis Group; D. Telloni et al. (2023)

Theoretische en onderzoeksuitdagingen

Er wordt al lang vermoed dat turbulentie in de zonneatmosfeer een aanzienlijke opwarming van het plasma in de corona veroorzaakt. Maar bij het bestuderen van dit fenomeen stuitten zonnefysici op een praktisch probleem: het was onmogelijk om alle benodigde gegevens met slechts één ruimtevaartuig te verzamelen.

Er zijn twee methoden om de zon te bestuderen: teledetectie en metingen ter plaatse. Bij teledetectiemetingen wordt een ruimtevaartuig op afstand geplaatst en gebruikt het camera's om de zon en zijn atmosfeer op verschillende golflengten te observeren. Bij een in-situ meting vliegt het ruimtevaartuig over het gebied dat het wil bestuderen, waarbij metingen worden verricht aan deeltjes en magnetische velden in dat deel van de ruimte.

Beide methoden hebben hun voordelen. Teledetectie kan grootschalige resultaten opleveren, maar kan niet de details weergeven van de processen die in het plasma plaatsvinden. Tegelijkertijd kunnen in situ metingen zeer specifieke informatie opleveren over kleinschalige processen in het plasma, maar kunnen ze niet laten zien hoe deze processen grootschalige processen beïnvloeden.

Dubbel ruimtevaartuigonderzoek

Om het volledige beeld te krijgen, zouden twee ruimtevaartuigen nodig zijn. Dat is precies wat heliofysici momenteel hebben, met het door ESA geleide Solar Orbiter-ruimtevaartuig en NASA's Parker Solar Probe. Solar Orbiter is ontworpen om zo dicht mogelijk bij de zon te komen tijdens het uitvoeren van teledetectieoperaties en in-situ metingen. De Parker Solar Probe heeft de teledetectie van de zon zelf grotendeels opgegeven, maar is in plaats daarvan dichter bij de zon gekomen om metingen ter plaatse uit te voeren.

Maar om optimaal van hun complementariteit te profiteren, moet Parker Solar Probe zich binnen het gezichtsveld van een van de instrumenten van Solar Orbiter bevinden. Op deze manier kan Solar Orbiter de enorme hoeveelheid gegevens registreren die worden gegenereerd door de in-situ metingen van Parker Solar Probe.


ESA's Solar Orbiter is een van de twee complementaire ruimtevaartuigen die de zon van dichtbij bestuderen: het sluit zich aan bij NASA's Parker Solar Probe in zijn missie. Afbeeldingscredits: Solar Orbiter: ESA/ATGmedialab; Parker Solar Probe: NASA/Johns Hopkins APL

astrofysica coördinatie

Daniele Telloni, onderzoeker bij het Italiaanse Nationale Instituut voor Astrofysica (INAF) van het Astrophysical Observatory in Turijn, is lid van het team achter het Metis-instrument van Solar Orbiter. Metis is een coronagraaf die het licht van het zonoppervlak blokkeert en foto's maakt van de corona. Het was het perfecte instrument voor grootschalige metingen, dus ging Danielle op zoek naar wanneer de Parker Solar Probe zou komen te staan.

Hij ontdekte dat de twee ruimtevaartuigen op 1 juni 2022 bijna in de juiste orbitale configuratie zullen zijn. In wezen zal Solar Orbiter naar de zon kijken, terwijl Parker Solar Probe zich aan de zijkant bevindt, heel dichtbij maar net buiten het gezichtsveld van het Métis-instrument.

Toen Daniel het probleem zag, realiseerde hij zich dat het in beeld brengen van de Parker Solar Probe slechts een kleine manoeuvre van de Solar Orbiter zou vergen: hem 45 graden draaien en hem iets van de zon af richten.

Maar elke beweging van een ruimtemissie wordt van tevoren zorgvuldig gepland, en het ruimtevaartuig zelf is ontworpen om alleen in zeer specifieke richtingen te wijzen, vooral als het om de angstaanjagende hitte van de zon gaat. Het is onduidelijk of het ruimtevaartuigoperatieteam een ​​dergelijke afwijking zou goedkeuren. Maar toen de potentiële wetenschappelijke winst voor iedereen duidelijk werd, was de beslissing een ondubbelzinnig 'ja'.

ESA's Solar Orbiter-missie zal vanuit de baan van Mercurius naar de zon kijken tijdens zijn dichtste nadering tot de zon. Bron afbeelding: ESA/ATGmedialab

Doorbraakwaarnemingen

Het rollen en afbuigen ging door; Parker Solar Probe kwam in zicht en voor het eerst maten de twee ruimtevaartuigen tegelijkertijd de grootschalige structuur van de corona en de microfysische eigenschappen van het plasma.

"Dit werk is het resultaat van bijdragen van heel veel mensen", zegt Daniel, die leiding gaf aan de analyse van de dataset. Door samen te werken produceerden ze de eerste uitgebreide observaties en in-situ schattingen van de snelheid van coronale opwarming.

"De mogelijkheid om Solar Orbiter en Parker Solar Probe tegelijkertijd te gebruiken opent echt een geheel nieuwe dimensie voor dit onderzoek", zegt Gary Zank van de Universiteit van Alabama in Huntsville, co-auteur van het artikel.

Door de nieuw gemeten snelheden te vergelijken met jaren van theoretische voorspellingen van zonnefysici, toonde Daniel aan dat zonnefysici vrijwel zeker gelijk hadden toen ze turbulentie als een vorm van energieoverdracht identificeerden.

Artist's concept van de Parker Solar Probe die de zon nadert. Bron afbeelding: NASA/JohnsHopkinsAPL/SteveGribben

De exacte manier waarop turbulentie dit effect creëert, verschilt niet veel van wat er gebeurt als u 's ochtends in uw koffie roert. Door de willekeurige beweging van een vloeistof (gas of vloeistof) te stimuleren, wordt energie naar kleinere schaalniveaus overgebracht, waardoor de energie uiteindelijk in warmte wordt omgezet. In de corona wordt de vloeistof ook gemagnetiseerd, waardoor de opgeslagen magnetische energie ook kan worden omgezet in thermische energie.

Deze overdracht van magnetische en kinetische energie van grotere naar kleinere schaal is de essentie van turbulentie. Op de kleinste schaal zorgt het ervoor dat de golven uiteindelijk in wisselwerking treden met individuele deeltjes (voornamelijk protonen) en deze verwarmen.

Conclusie en Verlichting

Er moet nog meer werk worden verzet voordat het probleem van de zonnewarmte is opgelost, maar dankzij het werk van Daniele hebben zonnefysici dit proces nu voor het eerst gemeten.

"Dit is een wetenschappelijke primeur", zegt projectwetenschapper Daniel Müller.