Solen, som du aldrig har set den før

Kraftige flammer, betagende udsigter over solpolerne og et nysgerrigt sol-"pindsvin" er blandt de spektakulære billeder, film og data, som Solar Orbiter returnerer fra sin første tætte tilgang til solen. Selvom analysen af ​​det nye datasæt kun lige er startet, er det allerede klart, at den ESA-ledede mission giver den mest ekstraordinære indsigt i solens magnetiske adfærd og den måde, dette former rumvejret på.

Solar Orbiters nærmeste tilgang til solen, kendt som perihelion, fandt sted den 26. marts. Rumfartøjet var inde i Merkurs kredsløb, omkring en tredjedel af afstanden fra solen til Jorden, og dets varmeskjold nåede omkring 500°C. Men den spredte den varme med sin innovative teknologi for at holde rumfartøjet sikkert og fungerende.

Solar Orbiter bærer ti videnskabelige instrumenter - ni ledes af ESA-medlemsstater og et af NASA - alle arbejder sammen i tæt samarbejde for at give hidtil uset indsigt i, hvordan vores lokale stjerne "virker". Nogle er fjernmålingsinstrumenter, der ser på solen, mens andre er in-situ instrumenter, der overvåger forholdene omkring rumfartøjet, hvilket gør det muligt for forskere at "forene sig med prikkerne" fra det, de ser ske ved solen, til det, som Solar Orbiter "føler" " på sin placering i solvinden millioner af kilometer væk.

Når det kommer til perihelion, er det klart, at jo tættere rumfartøjet kommer på solen, jo finere detaljer kan fjernmålingsinstrumentet se. Og som heldet ville have det, opsugede rumfartøjet også adskillige soludbrud og endda en jordstyret koronal masseudslyngning, hvilket gav en smag af rumvejrsudsigt i realtid, en bestræbelse, der bliver stadig vigtigere på grund af truslen fra rumvejret til teknologi og astronauter.

Introduktion af solpindsvinet

"Billederne er virkelig betagende," siger David Berghmans, Royal Observatory of Belgium, og Principal Investigator (PI) for Extreme Ultraviolet Imager (EUI) instrumentet, som tager billeder i høj opløsning af de nederste lag af solens atmosfære, kendt som solkoronaen. Det er denne region, hvor det meste af solaktiviteten, der driver rumvejret, finder sted.

Opgaven for EUI-teamet er nu at forstå, hvad de ser. Dette er ikke nogen nem opgave, fordi Solar Orbiter afslører så meget aktivitet på solen i lille skala. Efter at have opdaget et træk eller en begivenhed, som de ikke umiddelbart kan genkende, skal de grave gennem tidligere solobservationer fra andre rummissioner for at se, om noget lignende er set før.

"Selv hvis Solar Obiter holdt op med at tage data i morgen, ville jeg have travlt i årevis med at finde ud af alt det her," siger David Berghmans.

Et særligt iøjnefaldende træk blev set under dette perihelion. Indtil videre har det fået tilnavnet "pindsvinet". Den strækker sig 25.000 kilometer over solen og har et væld af spidser af varm og koldere gas, der når ud i alle retninger.

Sammenslutning af prikkerne

Solar Orbiters vigtigste videnskabelige mål er at udforske forbindelsen mellem solen og heliosfæren. Heliosfæren er den store "boble" af rummet, der strækker sig ud over planeterne i vores solsystem. Den er fyldt med elektrisk ladede partikler, hvoraf de fleste er blevet udstødt af solen for at danne solvinden. Det er bevægelsen af ​​disse partikler og de tilhørende solmagnetiske felter, der skaber rumvejr.

For at kortlægge solens virkninger på heliosfæren skal resultaterne fra in-situ instrumenterne, som registrerer de partikler og magnetiske felter, der fejer henover rumfartøjet, spores tilbage til begivenheder på eller nær den synlige overflade af solen, som er registreret. af fjernmålingsinstrumenterne.

Dette er ikke en nem opgave, da det magnetiske miljø omkring solen er meget komplekst, men jo tættere rumfartøjet kan komme på solen, jo mindre kompliceret er det at spore partikelhændelser tilbage til solen langs "motorvejene" af magnetfeltlinjer . Det første perihelion var en nøgletest af dette, og resultaterne indtil videre ser meget lovende ud.

Den 21. marts, et par dage før perihelium, fejede en sky af energiske partikler hen over rumfartøjet. Det blev detekteret af Energetic Particle Detector (EPD). Sigende nok kom de mest energiske af dem først, efterfulgt af dem med lavere og lavere energier.

"Dette tyder på, at partiklerne ikke produceres tæt på rumfartøjet," siger Javier Rodríguez-Pacheco, University of Alcalá, Spanien, og EPD's PI. I stedet blev de produceret i solens atmosfære, tættere på solens overflade. Mens de krydsede rummet, trak de hurtigere partikler frem for de langsommere, som løbere i en spurt.

Samme dag så radio- og plasmabølgerne (RPW)-eksperimentet dem komme og opfange det stærke karakteristiske sweep af radiofrekvenser, der produceres, når accelererede partikler - for det meste elektroner - spiraler udad langs solens magnetfeltlinjer. RPW detekterede derefter oscillationer kendt som Langmuir-bølger. "Dette er et tegn på, at de energiske elektroner er ankommet til rumfartøjet," siger Milan Maksimovic, LESIA, Observatoire de Paris, Frankrig og RPW PI.

Af fjernmålingsinstrumenterne så både EUI og røntgenspektrometeret/teleskopet (STIX) begivenheder på solen, der kunne have været ansvarlige for frigivelsen af ​​partiklerne. Mens de partikler, der strømmer ud i rummet, er dem, som EPD og RPW detekterede, er det vigtigt at huske, at andre partikler kan rejse nedad fra begivenheden og ramme de lavere niveauer af solens atmosfære. Det er her STIX kommer ind i billedet.

Mens EUI ser det ultraviolette lys, der frigives fra stedet for blusset i solens atmosfære, ser STIX de røntgenstråler, der produceres, når elektroner accelereret af blusset interagerer med atomkerner i de lavere niveauer af solens atmosfære.

Præcis hvordan disse observationer alle er forbundet, er nu et spørgsmål for holdene at undersøge. Der er en vis indikation fra sammensætningen af ​​partiklerne påvist af EPD, at de sandsynligvis blev accelereret af et koronalt chok i en mere gradvis begivenhed snarere end impulsivt fra en opblussen.

"Det kan være, at du har flere accelerationssteder," siger Samuel Krucker, FHNW, Schweiz og PI for STIX.

En anden drejning til denne situation er, at Magnetometer-instrumentet (MAG) ikke registrerede noget væsentligt på det tidspunkt. Dette er dog ikke usædvanligt. Det indledende udbrud af partikler, kendt som en Coronal Mass Ejection (CME), bærer et stærkt magnetfelt, som MAG nemt kan registrere, men energiske partikler fra begivenheden rejser meget hurtigere end CME og kan hurtigt fylde store rumfang, og derfor blive opdaget af Solar Orbiter. "Men hvis CME savner rumfartøjet, så vil MAG ikke se en signatur," siger Tim Horbury, Imperial College, U.K., og MAG PI.

Når det kommer til magnetfeltet, begynder det hele ved solens synlige overflade, kendt som fotosfæren. Det er her det internt genererede magnetfelt bryder ud i rummet. For at vide, hvordan dette ser ud, bærer Solar Orbiter instrumentet Polarimetric og Helioseismic Imager (PHI). Dette kan se den nordlige og sydlige magnetiske polaritet på fotosfæren, såvel som rislen af ​​solens overflade på grund af seismiske bølger, der rejser gennem dens indre.

"Vi leverer magnetfeltmålingerne ved solens overflade. Dette felt udvider sig derefter, går ind i koronaen og driver dybest set al den gnist og action, du ser deroppe," siger Sami Solanki, Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, Göttingen , Tyskland, og PI for PHI.

Et andet instrument, Spectral Imaging of the Coronal Environment (SPICE), registrerer koronaens sammensætning. Disse "overflodskort" kan sammenlignes med indholdet af solvinden set af Solar Wind Analyzer (SWA) instrumentet.

"Dette vil spore udviklingen af ​​sammensætningen af ​​solvinden fra solen til rumfartøjet, og det fortæller os om de mekanismer, der er ansvarlige for solvindens acceleration," siger SPICE PI Frédéric Auchère, Institut d'Astrophysique Spatiale, Frankrig .

Forudsigelse af rumvejr

Ved at kombinere data fra alle instrumenter vil videnskabsholdet være i stand til at fortælle historien om solaktivitet fra solens overflade, ud til Solar Orbiter og videre. Og den viden er præcis, hvad der vil bane vejen for et fremtidigt system designet til at forudsige rumvejrforholdene på Jorden i realtid. I optakten til perihelion fik Solar Orbiter endda en forsmag på, hvordan et sådant system kunne fungere.

Rumfartøjet fløj opstrøms for Jorden. Dette unikke perspektiv betød, at den overvågede forholdene for den solvind, der ville ramme Jorden flere timer senere. Da rumfartøjet var i direkte kontakt med Jorden, og dets signaler rejste med lysets hastighed, ankom dataene til jorden inden for få minutter, klar til analyse. Som heldet ville det, var der adskillige coronal mass ejections (CME) opdaget omkring dette tidspunkt, nogle af dem på vej direkte mod Jorden.

Den 10. marts fejede en CME ind over rumfartøjet. Ved hjælp af data fra MAG var holdet i stand til at forudsige, hvornår det efterfølgende ville ramme Jorden. Annonceringen af ​​denne nyhed på sociale medier gjorde det muligt for sky-watchers at være klar til nordlyset, som behørigt ankom omkring 18 timer senere på det forudsagte tidspunkt.

Denne oplevelse gav Solar Orbiter en forsmag på, hvordan det er at forudsige rumvejrforholdene på Jorden i realtid. En sådan bestræbelse bliver stadig vigtigere på grund af den trussel, rumvejret udgør for teknologi og astronauter.

ESA planlægger i øjeblikket en mission kaldet ESA Vigil, der vil blive stationeret på den ene side af solen og se ind i det område af rummet, der fører op til Jorden. Dens opgave bliver at forestille sig CME'er, der rejser gennem denne region, især dem, der er på vej mod vores planet. Under selve perihelion blev Solar Orbiter placeret således, at dets instrumenter Metis og SoloHI kunne levere præcis den slags billeder og data.

Metis tager billeder af koronaen fra 1,7-3 solradier. Ved at udslette solens lyse skive ser den den svagere korona. "Det giver de samme detaljer som jordbaserede totalformørkelsesobservationer, men i stedet for et par minutter kan Metis observere kontinuerligt," siger Marco Romoli, University of Florence, Italien, og PI for Metis.

SoloHI optager billeder lavet af sollys spredt af elektronerne i solvinden. Et bestemt udbrud, den 31. marts, kom ind i X-klassen, de mest energiske soludbrud, man kender. Endnu er dataene ikke blevet analyseret, fordi meget af dem forbliver på rumfartøjet og venter på at blive downloadet. Nu hvor Solar Orbiter er længere væk fra Jorden, er dataoverførselshastigheden aftaget, og forskerne skal være tålmodige – men de er mere end klar til at begynde deres analyse, når den ankommer.

"Vi er altid interesserede i de store begivenheder, fordi de producerer de største reaktioner og den mest interessante fysik, fordi du ser på ekstremerne," siger Robin Colaninno, U.S. Naval Research Laboratory, Washington DC, og SoloHI PI.

Kommer snart

Der er ingen tvivl om, at instrumentholdene nu har deres arbejde skåret. Perihelium var en stor succes og har genereret en enorm kvalitet af ekstraordinære data. Og det er bare en forsmag på, hvad der kommer. Allerede rumfartøjet racer gennem rummet for at stille sig op til dets næste – og lidt tættere – perihelionpas den 13. oktober på 0,29 gange Jord-sol-afstanden. Inden da, den 4. september, flyver den for tredje gang forbi Venus.

Solar Orbiter har allerede taget sine første billeder af solens stort set uudforskede polarområder, men meget mere venter stadig.

Den 18. februar 2025 vil Solar Orbiter møde Venus for fjerde gang. Dette er at øge hældningen af ​​rumfartøjets kredsløb til omkring 17 grader. Den femte Venus forbiflyvning den 24. december 2026 vil øge dette yderligere til 24 grader og vil markere starten på "high-latitude"-missionen.

I denne fase vil Solar Orbiter se solens polarområder mere direkte end nogensinde før. Sådanne observationer af sigtelinje er nøglen til at fjerne det komplekse magnetiske miljø ved polerne, som igen kan rumme hemmeligheden bag solens 11-årige cyklus med voksende og aftagende aktivitet.

"Vi er så begejstrede for kvaliteten af ​​dataene fra vores første perihelion," siger Daniel Müller, ESA Project Scientist for Solar Orbiter. "Det er næsten svært at tro, at dette kun er starten på missionen. Vi kommer til at have meget travlt." + Udforsk yderligere

Solar Orbiter krydser Jord-sol-linjen, når den er på vej mod solen