Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Astronomi

Solens nærbillede afslører atmosfæren hopper med meget energiske partikler

På sine første to forbiflyvninger af solen, det Princeton-ledede instrument IS?IS ombord på Parker Solar Probe opdagede en overraskende række aktiviteter af solenergipartikler - de lynende elektroner, protoner og andre ioner, der flyver ud forud for solvinden - som kan forstyrre rumrejser og kommunikation på Jorden. Observationerne er kun begyndelsen på udforskninger af, hvordan disse partikelhændelser dannes, resultater, der vil kaste lys over bredere spørgsmål om solen, rumvejr og kosmiske stråler. En af de største trusler fra solen - mod astronauter og de satellitter, der leverer GPS-kort, mobiltelefontjeneste og internetadgang -- er højenergipartikler, der bryder ud fra solen i eksplosioner. Øverst:Den 17. nov. 2018, den 321. dag i det år, Parker Solar Probes IS?IS observerede et udbrud af højenergiprotoner, hver med mere end 1 million elektronvolt energi. De varmere farver (gul, orange, rød) repræsenterer en stigning i antallet af disse højenergipartikler, der rammer IS?IS-sensorerne. Nederst:En kunstners repræsentation af en af ​​disse energiske partikelbegivenheder. Kredit:Jamey Szalay og David McComas; Tilpasset med tilladelse fra D.J. McComas et al., Natur 575:7785 (2019)

Udbrud af energiske partikler, der suser ud fra solen og kan forstyrre rumkommunikation, kan være endnu mere varierede og talrige end tidligere antaget, ifølge resultater fra solens nærmeste forbiflyvning nogensinde.

De nye resultater, som hjælper os med at forstå solens aktivitet og i sidste ende kunne give en tidlig advarsel om solstorme, kommer fra en af ​​de fire instrumentsuiter ombord på NASAs Parker Solar Probe, et rumfartøj, der har gennemført sine første gennemløb nær den brændende kugle. Resultater fra alle fire suiter vises i dag i et sæt artikler offentliggjort i tidsskriftet Natur .

Konstateringen af, at disse energiske partikelbegivenheder er mere varierede og talrige end tidligere kendt, var en af ​​flere opdagelser gjort af instrumentpakken kendt som Integrated Science Investigation of the Sun (ISOIS), et projekt ledet af Princeton University, der involverer flere institutioner samt NASA.

"Denne undersøgelse markerer en stor milepæl med menneskehedens rekognoscering af nær-sol-miljøet, sagde David McComas, hovedefterforskeren for ISOIS-instrumentpakken, en Princeton-professor i astrofysiske videnskaber og vicepræsident for Princeton Plasma Physics Laboratory. "Det giver de første direkte observationer af det energiske partikelmiljø i området lige over solens øvre atmosfære, coronaen.

"At se disse observationer har været et kontinuerligt 'eureka-øjeblik, '" sagde McComas. "Når vi modtager nye data fra rumfartøjet, vi er vidne til noget, som ingen nogensinde har set før. Det er så godt, som det kan blive!"

ISOIS søger at finde ud af, hvordan partiklerne bevæger sig så hurtigt, og hvad der presser dem til at accelerere. Forskerne, der søger efter disse svar, omfatter ISOIS-teammedlemmer ved California Institute of Technology (Caltech), John Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL), NASA Goddard Space Flight Center, NASA Jet Propulsion Laboratory, University of New Hampshire, Southwest Research Institute, University of Delaware og University of Arizona, samt samarbejdspartnere ved University of California-Berkeley, Imperial College London, University of Michigan, Smithsonian Astrophysical Observatory og National Center for Scientific Research i Frankrig.

Højenergiske partikler kan forstyrre kommunikations- og GPS-satellitter (Global Positioning Systems). Disse strømme af partikler, består primært af protoner, har to kilder. Den første er uden for vores solsystem, genereret, når eksploderende stjerner frigiver strømme af partikler kendt som kosmiske stråler. Den anden er vores sol. Begge dele kan skade de elektriske systemer i rumfartøjer og er former for stråling, der kan skade astronauters helbred.

Disse energiske partikler flyver meget hurtigere end solvinden, som er den cirka millioner mile-i-time-strøm af varm elektrisk ladet gas, der pisker solen af. Hvis solvinden var en strøm, de energiske partikler ville være fisk, der springer ud og springer foran strømmen. Partiklerne bevæger sig langs stier - kaldet magnetiske fluxrør - der strækker sig fra koronaen ud i solvinden.

Under Parker Solar Probes første to kredsløb, IS?IS har opdaget mange små energiske partikelhændelser, soludbrud, hvor hastigheden af ​​partikler, der strømmer ud af solen, steg hurtigt. På ISOIS, Epi-Lo instrumentet måler partikler i titusindvis af elektronvolt, mens Epi-Hi måler partikler med millioner til hundreder af millioner af elektron-volt. (Til reference, elektriciteten i dit hus er 120 volt.) Her, data fra kredsløb 1 (venstre) og 2 (højre) viser IS?IS partikeltællingshastigheder overlejret som farvestrimler langs den sorte linje, der repræsenterer banen for Parker Solar Probe. De lavere energihastigheder ("Lo") er på indersiden af ​​sporet, mens den højere energi ("Hi") satser kører udenfor. Både størrelse og farve svarer til de målte rater, sådan at store røde bjælker angiver de største udbrud, når solen frigav flest partikler på kort tid. Kredit:Jamey Szalay og David McComas; Tilpasset med tilladelse fra D.J. McComas et al., Natur 575:7785 (2019)

Forståelse af disse partikler kan forbedre rumvejrsudsigter og give tidlig advarsel om de massive storme, der kan forstyrre jordisk kommunikation og rumrejser.

"Svaret på spørgsmål om, hvordan energiske partikler dannes og accelererer, er utrolig vigtigt, " sagde Ralph McNutt, der overvågede bygningen af ​​den lavere energi af suitens to instrumenter og er chefforsker i Space Exploration Sector ved APL. "Disse partikler påvirker vores aktiviteter på Jorden og vores evne til at få vores astronauter ud i rummet. Vi skriver historie med denne mission."

På grund af deres hastighed, partiklerne fungerer som et tidligt advarselssignal for rumvejr, sagde Jamey Szalay, en associeret forsker ved Institut for Astrofysiske Videnskaber i Princeton, der leder datavisualiseringsindsatsen for ISOIS. "Disse partikler bevæger sig hurtigt, så hvis der er en stor solstorm på vej, disse partikler er de første indikatorer."

De fleste tidligere undersøgelser af solenergipartikler var afhængige af detektorer placeret i rummet i omtrent samme afstand fra Solen som Jorden - 93 millioner miles fra solen. Når partiklerne når til disse detektorer, det er svært at spore, hvor de kom fra, fordi partiklerne fra forskellige kilder har interageret og blandet sig.

"Det er lidt ligesom biler, der kommer fra overfyldte tunneller og broer og breder sig ud på mellemstatslige motorveje, " sagde McComas. "De bliver hurtigere, når de bevæger sig væk, men de bliver også blandet og interagerer på måder, så det er umuligt at sige, hvem der kom hvorfra, når man bevæger sig længere og længere væk fra kilderne."

I sine første ture rundt om solen, Parker Solar Probe rejste dobbelt så tæt på solen, som noget tidligere rumfartøj nogensinde har været. På det nærmeste, rumfartøjet var 14 millioner miles - eller 35 solradier, som er 17,5 bredder af solen - fra den brændende overflade.

At komme tæt på solen er afgørende for at optrevle, hvordan disse partikler dannes og får høj energi, sagde Erik Christian, den stedfortrædende hovedefterforsker på ISOIS og en seniorforsker ved NASA Goddard. "Det er som at prøve at måle, hvad der sker i et bjerg ved at studere bunden af ​​bjerget. At vide, hvad der sker, du skal gå, hvor handlingen er:Du skal op på bjerget."

En potentiel bekymring for forskerne var, at solens 11-årige aktivitetscyklus i øjeblikket er på et lavt niveau. Men det lave aktivitetsniveau viste sig at være en fordel.

Det øverste panel viser et skematisk billede af en Coronal Mass Ejection (CME), hvorunder et masseudbrud så stort som Lake Michigan bliver kastet ud af solen. Disse kan udgøre en fare for astronauter og rumsatellitter, men ISOIS-forskere opdagede, at små energiske partikler skynder sig foran den udstødte masse, give forhåndsadvarsel om den indkommende trussel. Det nederste panel viser protonfluxer detekteret af IS?IS's EPI-Lo (øverst) og magnetfeltmålingerne (nederst) omkring tidspunktet for en observeret CME. De energiske partikler nåede Parker Solar Probe næsten en dag før den udstødte masse. Kredit:Jamey Szalay og David McComas; Tilpasset med tilladelse fra N.J. Fox et al. Space Science Reviews 204:7 (2016) og D.J. McComas et al., Nature 575:7785 (2019)

"Det faktum, at solen var stille, gjorde det muligt for os at analysere begivenheder, der er ekstremt isolerede, " sagde Nathan Schwadron, en professor i fysik og astronomi og leder af ISOIS science operation center ved University of New Hampshire. "Dette er begivenheder, som ikke er blevet set længere væk, fordi de bare er blevet ramt af solvindens aktivitet."

Under sine første to kredsløb, ISOIS observerede flere fascinerende fænomener. Den ene var et udbrud af energisk partikelaktivitet, der faldt sammen med en koronal masseudstødning, et voldsomt udbrud af energisatte og magnetiserede partikler fra koronaen. Inden udkastningen, ISOIS detekterede en ophobning af relativt lavenergipartikler, hvorimod der efter udstødningen var en opbygning af højenergetiske partikler. Disse begivenheder var små og kunne ikke spores fra Jordens kredsløb.

En anden observation fra ISOIS var partikelaktivitet, der indikerer en slags solvind trafikprop, som sker, når solvinden pludselig aftager, hvilket får hurtiggående solvind til at hobe sig op bag den og danner et komprimeret område af partikler. Denne opbygning, som astrofysikere kalder et samroterende interaktionsområde, opstod ud over Jordens kredsløb og sendte højenergipartikler tilbage mod solen, hvor de blev observeret af ISOIS.

Researchers are eager to understand the mechanisms by which the sun accelerates particles to high speeds. ISOIS's detection of each particle's identity—whether it is hydrogen, helium, kulstof, ilt, iron or another element—will help researchers further explore this question.

"There are two kinds of acceleration mechanisms, one that occurs in solar flares when magnetic fields reconnect, and another that occurs when you get shocks and compressions of the solar wind, but the details of how they cause particle acceleration are not that well understood, " said Mark Wiedenbeck, a principal scientist at NASA's Jet Propulsion Laboratory, who oversaw the development of the higher energy instrument in the ISOIS suite. "The composition of the particles is a key diagnostic to tell us the acceleration mechanism."

ISOIS made its third brush by the sun on Sept. 1, and will make its next on Jan. 29, 2020. As the mission continues, the satellite will make a total of 24 orbits, each time getting closer to the solar surface, until it is roughly five sun-widths from the star. The researchers hope that future flybys will reveal insights into the source of the energetic particles. Do they start as "seed particles" that go on to attain higher energies?

Jamie Sue Rankin, a postdoctoral researcher at Princeton working in the McComas group, began working on the higher energy ISOIS instrument as a graduate student at Caltech.

"It has been neat to see this whole process develop over the past decade, " Rankin said. "It is like surfing a wave:We built these instruments, made sure they were working, made adjustments to make sure the calibrations were right—and now comes the exciting part, answering the questions that we set out to address.

"With any spacecraft, when you go out into space, you think you know what to expect, but there are always wonderful surprises that complicate our lives in the best way, " she said. "That is what keeps us doing what we do."