Forbereder til opdagelse med NASAs Parker Solar Probe

Uger efter Parker Solar Probe kom tættest på en stjerne nogensinde, de videnskabelige data fra det første solmøde er netop på vej i hænderne på missionens videnskabsmænd. Det er et øjeblik, mange i feltet har ventet på i årevis, tænker på, hvad de vil gøre med sådanne aldrig før-sete data, som har potentialet til at kaste nyt lys over vores stjernes fysik, solen.

Den 12. dec. 2018, fire sådanne forskere var samlet ved efterårsmødet i American Geophysical Union i Washington, D.C., for at dele, hvad de håber at lære af Parker Solar Probe.

"Heliofysikere har ventet mere end 60 år på, at en mission som denne var mulig, " sagde Nicola Fox, direktør for Heliophysics Division i NASAs hovedkvarter i Washington. Heliofysik er studiet af Solen og hvordan den påvirker rummet nær Jorden, rundt i andre verdener og i hele solsystemet. "De solmysterier, vi ønsker at løse, venter i coronaen."

Fra 31. oktober til 11. nov. 2018, Parker Solar Probe afsluttede sin første solmødefase, hastighed gennem Solens ydre atmosfære – koronaen – og indsamle hidtil usete data med fire suiter af banebrydende instrumenter.

Parker Solar Probe er opkaldt efter Eugene Parker, fysikeren, der først teoretiserede eksistensen af ​​solvinden - Solens konstante udstrømning af materiale - i 1958.

"Dette er den første NASA-mission, der er opkaldt efter et levende individ, " sagde Fox. "Gene Parkers revolutionerende papir forudsagde opvarmning og udvidelse af koronaen og solvinden. Nu, med Parker Solar Probe er vi i stand til virkelig at forstå, hvad der driver den konstante strøm ud til kanten af ​​heliosfæren."

Vores sols indflydelse er vidtrækkende. Solvinden, dets udstrømning af materiale, fylder den indre del af vores solsystem, skabe en boble, der omslutter planeterne og strækker sig langt forbi Neptuns kredsløb. Indlejret i dets energigivende partikler og solmateriale, solvinden fører Solens magnetfelt med sig. Yderligere engangsudbrud af solmateriale kaldet koronale masseudstødninger bærer også dette solmagnetiske felt - og i begge tilfælde, dette magnetiserede materiale kan interagere med Jordens naturlige magnetfelt og forårsage geomagnetiske storme. Sådanne storme kan udløse nordlys eller endda strømafbrydelser, og andre typer solaktivitet kan forårsage kommunikationsproblemer, forstyrre satellitelektronik og endda bringe astronauter i fare - især ud over den beskyttende boble fra Jordens magnetfelt.

Andre verdener i vores solsystem oplever deres egne versioner af disse effekter, og langt ud over planeterne, Solens materiale støder op mod det interstellare medium, som fylder rummet mellem stjernerne. Interaktionen i denne region spiller en rolle i, hvor ofte højenergiske galaktiske kosmiske stråler skyder ind i vores solsystem. Alle disse effekter skyldes komplicerede systemer - men de starter alle tilbage ved Solen, hvilket gør det afgørende at forstå den grundlæggende fysik, der driver vores stjernes aktivitet.

Parker Solar Probe er designet til at løse tre store spørgsmål om solens fysik. For det første:Hvordan er solens ydre atmosfære, coronaen, opvarmet til temperaturer omkring 300 gange højere end den synlige overflade nedenfor? For det andet - hvordan accelereres solvinden så hurtigt til de høje hastigheder, vi observerer? Og endelig, hvordan raketter nogle af Solens mest energiske partikler væk fra Solen med mere end halvdelen af ​​lysets hastighed?

"Parker Solar Probe giver os de målinger, der er afgørende for at forstå solfænomener, som har undret os i årtier, " sagde Nour Raouafi, Parker Solar Probe-projektforsker ved Johns Hopkins University Applied Physics Lab i Laurel, Maryland. "For at lukke linket, lokal prøvetagning af solkoronaen og den unge solvind er nødvendig, og Parker Solar Probe gør netop det."

Parkers instrumenter er designet til at se på disse pågældende fænomener på måder, der ikke har været mulige før, giver videnskabsfolk mulighed for at gøre nye fremskridt i studiet af solens atmosfære.

For eksempel, Parker Solar Probes billedapparater, i WISPR-pakken, vil have et nyt perspektiv på den unge solvind, fanger et billede af, hvordan den udvikler sig, når Parker Solar Probe rejser gennem solkoronaen.

Rumfartøjets ISʘIS-suite vil hjælpe videnskabsmænd med at grave ned i årsagerne til energisk partikelacceleration. Lige nu, teorier divergerer om, hvordan solenergipartikler accelereres i de tynde chokbølgestrukturer, der normalt drives af hurtige koronale masseudstødninger - men energiske partikelmålinger indsamlet, når rumfartøjet rejser gennem sådanne bølger, vil hjælpe med at kaste lys over dette problem.

De elektriske feltantenner i rumfartøjets FIELDS-instrumentsuite kan opfange radioudbrud, der kan kaste lys over årsagerne til koronal opvarmning.

Solar Probe Cup-instrumentet – som strækker sig ud over rumfartøjets varmeskjold og er udsat for det fulde solmiljø – måler de termiske egenskaber af forskellige ionarter i solvinden. Sammenholdt med data fra FIELDS-pakken, disse målinger kan hjælpe med at afsløre, hvordan solvinden opvarmes og accelereres.

Forskerholdet forventer også at blive overrasket over noget af det, de lærer.

"Vi ved ikke, hvad vi kan forvente så tæt på Solen, før vi får dataene, og vi vil sikkert se nogle nye fænomener, " sagde Raouafi. "Parker er en udforskningsmission - potentialet for nye opdagelser er enormt."

Parker Solar Probes rapporter indikerer, at gode videnskabelige data blev indsamlet under det første solmøde, og selve dataene begyndte at downlinke til Jorden den 7. december. På grund af Parker Solar Probes relative positioner, Solen og Jorden og deres indvirkning på radiotransmission, nogle af de videnskabelige data fra dette møde vil ikke downlinke før efter missionens andet solmøde i april 2019.

Missionsholdet fik en chance for nogle instrumenttest i den virkelige verden under Parker Solar Probes Venus forbiflyvning i september 2018. Parker Solar Probe foretog en tæt forbiflyvning på planeten, mens den udførte en tyngdekraftsassistance for at trække dens bane tættere på Solen. Selvom det ikke forventes at studere miljøet omkring Venus, Parkers instrumenter registrerede data med succes, give videnskabsfolk et tidligt blik på, hvad deres instrumenter er i stand til i det barske miljø i rummet.

Som den nyeste tilføjelse til NASAs flåde af heliofysiske missioner, Parker Solar Probe arbejder sammen med produktive sol- og heliosfæriske forskningssatellitter som NASAs Solar Dynamics Observatory, Solar and Terrestrial Relations Observatory og Advanced Composition Explorer. I år – eller årtier, i nogle tilfælde - disse observatorier har gransket Solen og dens udstrømmende materiale, ændre den måde, vi ser vores stjerne på. Men de er begrænset af, hvor de bor.

Selvom Parker afslører ny information, forskere, der arbejder med dets data, vil stole på resten af ​​NASAs heliofysikflåde for at sætte disse detaljer i sammenhæng.

"Parker Solar Probe skal til en region, vi aldrig har besøgt før, " sagde Terry Kucera, en solfysiker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "I mellemtiden på afstand, vi kan observere Solens korona, som driver det komplekse miljø omkring Parker Solar Probe."

Disse observatoriers særskilte perspektiver burde være en velsignelse for kontekstualisering af Parkers observationer. Mens SDO er i geosynkron kredsløb om jorden, STEREO kredser om Solen med lidt mindre end 1 AU - en astronomisk enhed er den gennemsnitlige afstand mellem Jorden og Solen - hvilket gør den bare en lille smule hurtigere end Jorden. Det betyder, at STEREO normalt observerer Solen fra en anden vinkel, end vi gør her på Jorden. Sammen med Parkers målinger tæt på Solen og ofte fra en anden vinkel end nogen af ​​vores andre satellitter, dette vil give forskerne et mere fuldstændigt billede af, hvordan solbegivenheder ændrer sig og udvikler sig, når de forplanter sig ud i solsystemet.

"STEREO-missionen handler om at observere heliosfæren fra forskellige steder, og Parker er en del af det - at foretage målinger fra et perspektiv, vi aldrig har haft før, " sagde Kucera.

Modellering er et andet vigtigt værktøj til at male det komplette billede omkring Parkers observationer.

"Vores simuleringsresultater giver en måde at fortolke både de lokaliserede målinger fra in situ-instrumenterne, som FIELDS og SWEAP, samt de mere globale billeder produceret af WISPR, " sagde Pete Riley, en forsker ved Predictive Science Inc., i San Diego, Californien.

Modeller er en god måde at teste teorier om Solens underliggende fysik på. Ved at skabe en simulering, der er afhængig af en bestemt mekanisme til at forklare koronal opvarmning - f.eks. en bestemt slags plasmabølge kaldet en Alfvén-bølge – videnskabsmænd kan tjekke modellens forudsigelse mod faktiske data fra Parker Solar Probe for at se, om de er på linje. Hvis de gør, det betyder, at den underliggende teori kan være, hvad der rent faktisk sker.

"Vi har haft stor succes med at forudsige strukturen af ​​solkoronaen under totale solformørkelser, " sagde Riley. "Parker Solar Probe vil give hidtil usete målinger, der yderligere vil begrænse modellerne og teorien, der er indlejret i dem."

Parker Solar Probe er i en unik position til at hjælpe med at forbedre modeller – til dels på grund af dens rekordhastighed.

Solen roterer cirka en gang hver 27. dag set fra Jorden, og solstrukturerne, der driver meget af dens aktivitet, bevæger sig sammen med den. Det skaber et problem for videnskabsmænd, som ikke altid kan se, om den variabilitet, de ser, er drevet af faktiske ændringer i regionen, der producerer aktiviteten - tidsmæssig variation - eller er forårsaget af blot at modtage solmateriale fra en ny kilderegion - rumlig variation.

For en del af sin bane, Parker Solar Probe vil overgå det problem. På visse punkter, Parker Solar Probe rejser hurtigt nok til næsten nøjagtigt at matche solens rotationshastighed, hvilket betyder, at Parker "svæver" over et område af Solen i et kort stykke tid. Forskere kan være sikre på, at ændringer i data i denne periode er forårsaget af faktiske ændringer på Solen, snarere end solens rotation.

Parker Solar Probe er en del af NASAs Living with a Star-program for at udforske aspekter af Sol-Jord-systemet, som direkte påvirker livet og samfundet. Living with a Star-programmet administreres af agenturets Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, for NASA's Science Mission Directorate i Washington. APL designet, byggede og betjener rumfartøjet.