Forklaring af Parker Solar Probes magnetiske puslespil

Da NASAs Parker Solar Probe sendte de første observationer tilbage fra sin rejse til Solen, videnskabsmænd fandt tegn på et vildt hav af strømme og bølger helt i modsætning til det nær-jordiske rum meget tættere på vores planet. Dette hav var forsynet med, hvad der blev kendt som switchbacks:hurtige vendinger i solens magnetfelt, der vendte retningen som en zig-zaggende bjergvej.

Forskere mener, at det at samle historien om switchbacks er en vigtig del af forståelsen af ​​solvinden, den konstante strøm af ladede partikler, der strømmer fra Solen. Solvinden løber gennem solsystemet, forme et stort rumvejrsystem, som vi regelmæssigt studerer fra forskellige udsigtspunkter rundt om i solsystemet - men vi har stadig grundlæggende spørgsmål om, hvordan Solen i første omgang formår at skyde dette vindstød på to millioner miles i timen ud.

Solfysikere har længe vidst, at solvinden kommer i to varianter:den hurtige vind, som kører omkring 430 miles i sekundet, og den langsomme vind, som rejser tættere på 220 miles i sekundet. Den hurtige vind har en tendens til at komme fra koronale huller, mørke pletter på Solen fulde af åbent magnetfelt. Langsommere vind kommer frem fra dele af Solen, hvor åbne og lukkede magnetfelter blandes. Men der er meget, vi stadig mangler at lære om, hvad der driver solvinden, og videnskabsmænd har mistanke om, at switchbacks - hurtige stråler af solmateriale, der er krydret overalt - har spor til dets oprindelse.

Siden deres opdagelse, switchbacks har udløst en byge af undersøgelser og videnskabelig debat, mens forskere forsøger at forklare, hvordan de magnetiske impulser dannes.

"Dette er den videnskabelige proces i aktion, " sagde Kelly Korreck, Heliofysik-programforsker ved NASAs hovedkvarter. "Der er en række forskellige teorier, og efterhånden som vi får flere og flere data til at teste disse teorier, vi kommer tættere på at finde ud af switchbacks og deres rolle i solvinden."

Magnetisk fyrværkeri

På den ene side af debatten:en gruppe forskere, der tror, ​​at switchbacks stammer fra en dramatisk magnetisk eksplosion, der sker i Solens atmosfære.

Tegn på, hvad vi nu kalder switchbacks, blev først observeret af den fælles NASA-European Space Agency-mission Ulysses, det første rumfartøj, der fløj over Solens poler. Men da dataene strømmede ned fra Parker Solar Probe årtier senere, videnskabsmænd var overraskede over at finde så mange.

Når solen roterer, og dens overhedede gasser vælter, magnetiske felter vandrer omkring vores stjerne. Nogle magnetfeltlinjer er åbne, som bånd, der bølger i vinden. Andre er lukket, med begge ender eller "fodpunkter" forankret i solen, danner løkker, der forløber med brændende varmt solmateriale. En teori - oprindeligt foreslået i 1996 baseret på Ulysses-data - antyder, at tilbagekoblinger er resultatet af et sammenstød mellem åbne og lukkede magnetiske felter. En analyse offentliggjort sidste år af forskerne Justin Kasper og Len Fisk fra University of Michigan udforsker den 20 år gamle teori yderligere.

Når en åben magnetfeltlinje støder mod en lukket magnetsløjfe, de kan omkonfigurere i en proces kaldet interchange reconnection - en eksplosiv omarrangering af magnetfelterne, der fører til en switchback-form. "Magnetisk genforbindelse er lidt som en saks og en loddepistol kombineret til én, " sagde Gary Zank, en solfysiker ved University of Alabama Huntsville. Den åbne linje klikker på den lukkede sløjfe, skærer et varmt plasmaudbrud af løkken, mens du "limer" de to felter ind i en ny konfiguration. Det pludselige snap kaster et S-formet knæk ind i den åbne magnetfeltlinje, før løkken genforsegles - lidt ligesom, for eksempel, den måde et hurtigt ryk med hånden vil sende en S-formet bølge, der rejser ned ad et reb.

Andre forskningsartikler har set på, hvordan switchbacks tager form efter fyrværkeri af genforbindelse. Tit, det betyder at bygge matematiske simuleringer, derefter sammenligne de computergenererede switchbacks med Parker Solar Probe-data. Hvis de er tætte, den fysik, der blev brugt til at skabe modellerne, kan med succes hjælpe med at beskrive den virkelige fysik af switchbacks.

Zank ledede udviklingen af ​​den første switchbacks-model. Hans model antyder ikke én, men to magnetiske piske fødes under genforbindelsen:En rejser ned til soloverfladen og en lyner ud i solvinden. Som en elektrisk ledning lavet af et bundt af mindre ledninger, hver magnetsløjfe er lavet af mange magnetfeltlinjer. "Det der sker er, hver af disse individuelle ledninger forbindes igen, så du producerer en hel række switchbacks på kort tid, " sagde Zank.

Zank og hans team modellerede den allerførste switchback Parker Solar Probe observeret, den 6. nov. 2018. Denne første model passede godt til observationerne, opmuntre teamet til at udvikle det yderligere. Holdets resultater blev offentliggjort i The Astrophysical Journal den 26. oktober, 2020.

En anden gruppe videnskabsmænd, ledet af University of Maryland fysiker James Drake, aftaler importen af ​​genkoblingsforbindelse. Men de adskiller sig, når det kommer til karakteren af ​​selve switchbacks. Hvor andre siger, at switchbacks er et knæk i en magnetfeltlinje, Drake og hans team foreslår, at det, Parker observerer, er signaturen på en slags magnetisk struktur, kaldet et fluxreb.

I Drakes simuleringer, knækket i feltet rejste ikke ret langt, før det brusede ud. "Magnetiske feltlinjer er som gummibånd, de kan lide at vende tilbage til deres oprindelige form, " forklarede han. Men forskerne vidste, at switchbacks skulle være stabile nok til at rejse ud, hvor Parker Solar Probe kunne se dem. På den anden side, fluxreb - som menes at være kernekomponenter i mange soludbrud - er mere robuste. Forestil dig en magnetstribet slikstang. Det er et fluxreb:strimler af magnetfelt viklet rundt om et bundt mere magnetfelt.

Drake og hans team mener, at fluxreb kunne være en vigtig del af at forklare omskiftninger, da de burde være stabile nok til at rejse ud til, hvor Parker Solar Probe observerede dem. Deres undersøgelse - udgivet i Astronomi og astrofysik den 8. okt. 2020 – lægger grunden til at bygge en flux-reb-baseret model til at beskrive oprindelsen af ​​switchbacks.

Fælles for disse forskere er, at de tror, ​​at magnetisk genforbindelse ikke kun kan forklare, hvordan tilbagekoblinger dannes, men også hvordan solvinden opvarmes og slynger ud fra Solen. I særdeleshed, switchbacks er knyttet til den langsomme solvind. Hver switchback skyder en flok varm plasma ud i rummet. "Så vi spørger, "Hvis du lægger alle disse udbrud sammen, kan de bidrage til frembringelsen af ​​solvinden?'" sagde Drake.

Går med strømmen

På den anden side af debatten er videnskabsmænd, der mener, at der dannes switchbacks i solvinden, som et biprodukt af turbulente kræfter, der rører det op.

Jonathan Squire, rumfysiker ved New Zealands University of Otago, er en af ​​dem. Ved hjælp af computersimuleringer, han studerede, hvordan små udsving i solvinden udviklede sig over tid. "Det, vi gør, er at prøve at følge en lille pakke plasma, når den bevæger sig udad, "Squire sagde.

Hver pakke af solvind udvider sig, når den undslipper solen, blæser op som en ballon. Bølger, der bølger hen over Solen, skaber små krusninger i det plasma, krusninger, der gradvist vokser i takt med, at solvinden breder sig ud.

"De starter først som vrikker, men det, vi ser, er, når de vokser endnu længere, de bliver til switchbacks, " sagde Squire. "Det er derfor, vi føler, at det er en ret overbevisende idé - det skete bare af sig selv i modellen." på solvidenskab.

Squires model, offentliggjort den 26. feb. 2020, tyder på, at switchbacks dannes naturligt, når solvinden udvider sig i rummet. Dele af solvinden, der udvider sig hurtigere, han forudsiger, skulle også have flere switchbacks - en forudsigelse, der allerede kan testes med det seneste Parker-datasæt.

Andre forskere er enige om, at tilbagekoblinger begynder i solvinden, men har mistanke om, at de dannes, når hurtige og langsomme strømme af solvind gnider mod hinanden. En undersøgelse fra oktober 2020, ledet af Dave Ruffolo ved Mahidol University i Bangkok, Thailand, skitserede denne idé.

Bill Matthaeus, en medforfatter på papir- og rumfysiker ved University of Delaware i Newark, peger på klipningen ved grænsen mellem hurtige og langsomme vandløb. Denne klipning mellem hurtig og langsom skaber karakteristiske hvirvler, der ses overalt i naturen, ligesom hvirvlerne, der dannes, når flodvandet flyder rundt om en sten. Deres modeller tyder på, at disse hvirvler i sidste ende bliver switchbacks, krøller magnetfeltlinjerne tilbage på sig selv.

Men hvirvlerne dannes ikke med det samme - solvinden skal bevæge sig ret hurtigt, før den kan bøje sine ellers stive magnetfeltlinjer. Solvinden når denne hastighed omkring 8,5 millioner miles fra Solen. Mattheaus' vigtigste forudsigelse er, at når Parker kommer væsentligt tættere på Solen end det - hvilket skulle ske i løbet af dens næste tætte pas 6,5 millioner miles fra Solen, den 29. april, 2021 – tilbagekoblingerne skulle forsvinde.

"Hvis dette er oprindelsen, da Parker bevæger sig ind i den nedre korona, kan denne klipning ikke ske, " sagde Mattheaus. "Så, switchbacks forårsaget af det fænomen, vi beskriver, burde forsvinde."

Et aspekt af switchbacks, som disse solvindmodeller endnu ikke har simuleret med succes, er det faktum, at de har tendens til at være stærkere, når de drejer i en bestemt retning - den samme retning af Solens rotation. Imidlertid, begge simuleringer blev skabt med en sol, der var stille, roterer ikke, som kan gøre forskellen. For disse modelbyggere, at inkorporere den faktiske rotation af Solen er næste skridt.

Vrider sig i vinden

Endelig, nogle videnskabsmænd tror, ​​at switchbacks stammer fra begge processer, starter med genforbindelse eller fodpunktsbevægelse ved Solen, men vokser først til deres endelige form, når de kommer ud i solvinden. Et papir offentliggjort i dag af Nathan Schwadron og David McComas, rumfysikere ved University of New Hampshire og Princeton University, henholdsvis, anvender denne tilgang, argumenterer for, at switchbacks dannes, når strømme af hurtig og langsom solvind vender tilbage ved deres rødder.

Efter denne omlægning ender hurtig vind "bag" langsom vind, på samme magnetfeltlinje. (Forestil dig en gruppe joggere på en racerbane, Olympiske sprintere i hælene.) Dette kan ske i alle tilfælde, hvor langsom og hurtig vind mødes, men mest bemærkelsesværdigt ved grænserne af koronale huller, hvor hurtig solvind fødes. Når koronale huller migrerer hen over Solen, svæver under strømme af langsommere solvind, fodpunktet fra den langsomme solvind tilsluttes til en kilde til hurtig vind. Hurtig solvind ræser efter den langsommere strøm foran sig. Til sidst overhaler den hurtige vind den langsommere vind, invertering af magnetfeltlinjen og dannelse af en switchback.

Schwadron mener, at bevægelsen af ​​koronale huller og solvindkilder hen over Solen også er en vigtig puslespilsbrik. Genforbindelse ved forkanten af ​​koronale huller, han foreslår, kunne forklare, hvorfor switchbacks har en tendens til at "zig" på en måde, der er tilpasset Solens rotation.

"Det faktum, at disse er orienteret på denne særlige måde, fortæller os noget meget grundlæggende, " sagde Schwadron.

Selvom det starter med Solen, Schwadron og McComas tror, ​​at de genforbindende strømme kun bliver switchbacks inden for solvinden, hvor Solens magnetiske feltlinjer er fleksible nok til at vende tilbage til sig selv.

Mens Parker Solar Probe suser tættere og tættere på Solen, videnskabsmænd vil ivrigt lede efter spor, der vil understøtte – eller afkræfte – deres teorier. "Der er forskellige ideer, der flyder rundt, " sagde Zank. "Til sidst vil der ske noget."