Team skaber billeder i høj kvalitet af solens atmosfære

I 1610, Galileo redesignede teleskopet og opdagede Jupiters fire største måner. Næsten 400 år senere, NASAs Hubble -rumteleskop brugte sin kraftfulde optik til at se dybt ind i rummet - hvilket gjorde det muligt for forskere at fastslå universets alder.

Det er tilstrækkeligt at sige, at at få et bedre kig på tingene giver store videnskabelige fremskridt.

I et papir offentliggjort den 18. juli i The Astrofysisk Journal , et team af forskere ledet af Craig DeForest - solfysiker ved Southwest Research Instituts afdeling i Boulder, Colorado - demonstrer, at denne historiske tendens stadig er gældende. Ved hjælp af avancerede algoritmer og datarensningsteknikker, holdet opdagede aldrig før opdaget, finkornede strukturer i den ydre corona-Solens milliongradige atmosfære-ved at analysere billeder taget af NASAs STEREO-rumfartøj. De nye resultater giver også en forhåndsvisning af, hvad NASAs Parker Solar Probe kan se, som efter lanceringen i sommeren 2018 vil gå i kredsløb direkte gennem den region.

Den ydre corona er kilden til solvinden, strømmen af ​​ladede partikler, der strømmer udad fra solen i alle retninger. Målt nær Jorden, magnetfelterne indlejret i solvinden er sammenflettede og komplekse, men hvad der forårsager denne kompleksitet er stadig uklart.

"I dybt rum, solvinden er turbulent og vindstød, "sagde DeForest." Men hvordan blev det sådan? Forlod det solen glat, og blive turbulent, da det krydsede solsystemet, eller fortæller vindstødene os om selve solen? "

At besvare dette spørgsmål kræver, at man observerer den ydre corona - kilden til solvinden - i ekstreme detaljer. Hvis Solen selv forårsager turbulensen i solvinden, så burde vi kunne se komplekse strukturer lige fra begyndelsen af ​​vindens rejse.

Men eksisterende data viste ikke en så finkornet struktur-i hvert fald indtil nu.

"Tidligere billeder af corona viste regionen som en glat, laminar struktur, "sagde Nicki Viall, solfysiker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, og medforfatter af undersøgelsen. "Det viser sig, den tilsyneladende glathed skyldtes kun begrænsninger i vores billedopløsning. "

Studiet

For at forstå corona, DeForest og hans kolleger startede med coronagraph -billeder - billeder af solens atmosfære produceret af et specielt teleskop, der blokerer lys fra (meget lysere) overflade.

Disse billeder blev genereret af COR2-koronagrafen ombord på NASAs Solar and Terrestrial Relations Observatory-A, eller STEREO-A, rumfartøj, som cirkler Solen mellem Jorden og Venus.

I april 2014, STEREO-A ville snart passere bag solen, og forskere ønskede at få nogle interessante data, før kommunikationen kortvarigt blev afbrudt.

Så de kørte en særlig tre-dages dataindsamlingskampagne, hvor COR2 tog længere og hyppigere eksponeringer af corona, end den normalt gør. Disse lange eksponeringer giver mere tid til lys fra svage kilder til at ramme instrumentets detektor - så det kan se detaljer, som det ellers ville gå glip af.

Men forskerne ønskede ikke bare billeder med længere eksponering-de ville have, at de havde en højere opløsning. Mulighederne var begrænsede. Instrumentet var allerede i rummet; i modsætning til Galileo kunne de ikke pille ved selve hardwaren. I stedet, de tog en softwaretilgang, klemme de højeste kvalitetsdata ud ved at forbedre COR2s signal-støj-forhold.

Hvad er signal-til-støj-forhold?

Signal-til-støj-forholdet er et vigtigt begreb inden for alle videnskabelige discipliner. Den måler, hvor godt du kan skelne den ting, du holder af at måle - signalet - fra de ting, du ikke gør - støjen.

For eksempel, lad os sige, at du er velsignet med fantastisk hørelse. Du bemærker det mindste af mus-hvin sent om aftenen; du kan aflytte hvisken fra sammenklemte skoleelever tyve meter væk. Din hørelse er upåklagelig - når støj er lav.

Men det er et helt andet boldspil, når du står på forreste række af en rockkoncert. De andre lyde i miljøet er bare for overvældende; uanset hvor nøje du lytter, mus-hvinker og hvisker (signalet, i dette tilfælde) kan ikke skære igennem musikken (støjen).

Problemet er ikke din hørelse-det er det dårlige signal-til-støj-forhold.

COR2's koronagrafer ligner din hørelse. Instrumentet er følsomt nok til at forestille koronaen i detaljer, men i praksis er dets målinger forurenet af støj - fra rummiljøet og endda ledningen til selve instrumentet. DeForest og hans kollegers centrale innovation var at identificere og adskille den støj, øge signal-støj-forholdet og afsløre den ydre corona i enestående detaljer.

Analysen

Det første skridt i retning af at forbedre signal-støj-forholdet var allerede taget:billeder med længere eksponering. Længere eksponeringer tillader mere lys i detektoren og reducerer støjniveauet - teamet vurderer støjreduktion med en faktor 2,4 for hvert billede, og en faktor 10, når de kombineres over en 20-minutters periode.

Men de resterende trin var op til sofistikerede algoritmer, designet og testet til at udtrække den sande corona fra de støjende målinger.

De filtrerede lys fra baggrundsstjerner (som skaber lyspunkter i billedet, der ikke virkelig er en del af coronaen). De korrigerede for små (få millisekunder) forskelle i, hvor længe kameraets lukker var åben. De fjernede baseline -lysstyrken fra alle billederne, og normaliserede det, så lysere områder ikke ville vaske ud dempere.

Men en af ​​de mest udfordrende forhindringer er forbundet med coronaen:bevægelsessløring på grund af solvinden. For at overvinde denne støjkilde, DeForest og kolleger kørte en særlig algoritme til at udjævne deres billeder i tide.

Udjævning i tid - med et twist

Hvis du nogensinde har foretaget en "dobbelttag, "du ved en eller anden ting om udjævning i tide. Et dobbelt tag-tager et andet blik, at verificere din første-er bare en lavteknologisk måde at kombinere to "målinger" taget på forskellige tidspunkter, til en måling, som du kan være mere sikker på.

Udjævning i tid gør denne idé til en algoritme. Princippet er enkelt:Tag to (eller flere) billeder, overlapper dem, og gennemsnit deres pixelværdier sammen. Tilfældige forskelle mellem billederne vil i sidste ende annullere, efterlader kun det, der er konsekvent mellem dem.

Men når det kommer til corona, der er et problem:det er en dynamik, vedvarende bevægende og skiftende struktur. Solmateriale bevæger sig altid væk fra solen for at blive solvinden. Udjævning i tid ville skabe bevægelsessløring - den samme form for sløring, som du ser på fotografier af objekter i bevægelse. Det er et problem, hvis dit mål er at se fine detaljer.

For at fortryde bevægelsessløring fra solvinden, forskerne brugte en ny procedure:mens de udglattede, de estimerede solvindens hastighed og flyttede billederne sammen med den.

For at forstå, hvordan denne tilgang fungerer, tænk på at tage snapshots af motorvejen, når biler kører forbi. Hvis du simpelthen overlappede dine billeder, resultatet ville være et stort sløret rod - for meget har ændret sig mellem hvert øjebliksbillede.

Men hvis du kunne regne ud trafikhastigheden og flytte dine billeder for at følge den, pludselig ville detaljerne i bestemte biler blive synlige.

For DeForest og hans medforfattere, bilerne var coronaens fine strukturer, og motorvejstrafikken var solvinden.

Selvfølgelig er der ingen hastighedsbegrænsningstegn i coronaen til at fortælle dig, hvor hurtigt tingene bevæger sig. For at finde ud af præcist, hvor meget billederne skal flyttes, før gennemsnittet, de tog billederne pixel for pixel, korrelere dem med hinanden for at beregne, hvor ens de var. Til sidst fandt de det søde sted, hvor de overlappende dele af billederne var så ens som muligt. Skiftmængden svarede til en gennemsnitlig solvindhastighed på cirka 136 miles i sekundet. Forskydning af hvert billede med det beløb, de stillede billederne op og glattede, eller gennemsnit dem sammen.

"Vi glattede, ikke bare i rummet, ikke bare i tide, men i et bevægeligt koordinatsystem, "DeForest sagde." Det gav os mulighed for at skabe bevægelsessløring, der ikke blev bestemt af vindens hastighed, men med hvor hurtigt funktionerne ændrede sig i vinden. "

Nu havde DeForest og hans samarbejdspartnere billeder af corona i høj kvalitet-og en måde at fortælle, hvor meget det ændrede sig over tid.

Resultaterne

Det mest overraskende fund var ikke en specifik fysisk struktur - det var den simple tilstedeværelse af fysisk struktur i sig selv.

Sammenlignet med dynamikken, turbulent indre corona, forskere havde anset den ydre corona for at være glat og homogen. Men den glathed var bare en artefakt af et dårligt signal-til-støj-forhold:

"Da vi fjernede så meget støj som muligt, vi indså, at coronaen er struktureret, helt ned til instrumentets optiske opløsning, "Sagde DeForest.

Ligesom de enkelte græsstråler, du kun ser, når du er tæt på, coronas komplekse fysiske struktur blev afsløret i enestående detaljer. Og blandt de fysiske detaljer, tre centrale fund fremkom.

Strukturen af ​​koronale streamers

Coronal streamers - også kendt som hjelm streamers, fordi de ligner en ridders spidse hjelm - er lyse strukturer, der udvikler sig over solens områder med forbedret magnetisk aktivitet. Let observeret under solformørkelser, magnetiske sløjfer på solens overflade strækkes ud til spidse spidser af solvinden og kan bryde ud i koronale masseudstødninger, eller CME'er, de store eksplosioner af stof, der skubber dele af Solen ud i det omgivende rum.

DeForest og hans medforfatters behandling af STEREO -observationer afslører, at streamere selv er langt mere strukturerede end tidligere antaget.

"Det, vi fandt, er, at der ikke er noget, der hedder en enkelt streamer, "DeForest sagde." Streamerne selv er sammensat af utallige fine tråde, der tilsammen er gennemsnitlige for at producere et lysere indslag. "

Alfvén -zonen

Hvor slutter coronaen og solvinden begynder? En definition peger på Alfvén -overfladen, en teoretisk grænse, hvor solvinden begynder at bevæge sig hurtigere, end bølger kan rejse baglæns gennem den. Ved denne grænseområde, forstyrrelser, der sker på et tidspunkt længere væk i det rejsende solmateriale, kan aldrig bevæge sig bagud hurtigt nok til at nå Solen.

"Materiale, der flyder ud forbi Alfvén -overfladen, er for evigt tabt for solen, "Sagde DeForest.

Fysikere har længe troet, at Alfvén -overfladen var netop det - en overflade, eller arklignende lag, hvor solvinden pludselig nåede en kritisk hastighed. Men det er ikke, hvad DeForest og kolleger fandt.

"Det, vi konkluderer, er, at der ikke er en ren Alfvén -overflade, "DeForest sagde." Der er et bredt 'ingenmandsland' eller 'Alfvén-zone', hvor solvinden gradvist afbrydes fra solen, snarere end en enkelt klar grænse. "

Observationerne afslører en ujævn ramme, hvor, i en given afstand fra solen, noget plasma bevæger sig hurtigt nok til at stoppe tilbagestående kommunikation, og nærliggende vandløb er ikke. Vandløbene er tæt nok, og fint nok, at blande den naturlige grænse for Alfvén -overfladen for at skabe en bred, delvist afbrudt region mellem corona og solvinden.

Et mysterium ved 10 solradier

Men det tætte kig på koronale struktur rejste også nye spørgsmål.

Teknikken, der blev brugt til at estimere solvindens hastighed, præciserede højderne, eller afstande fra solens overflade, hvor tingene hurtigt ændrede sig. Og det var da teamet bemærkede noget sjovt.

"Vi fandt ud af, at der er en korrelation minimum omkring 10 solradier, "Sagde DeForest.

I en afstand af 10 solradier, selv back-to-back billeder stoppede med at passe godt sammen. Men de blev mere ens igen på større afstande - hvilket betyder, at det ikke kun handler om at komme længere væk fra Solen. Det er som om tingene pludselig ændrer sig, når de rammer 10 solradier.

"Det forhold, at korrelationen er svagere ved 10 solradier betyder, at der sker en interessant fysik der omkring, "DeForest sagde." Vi ved ikke, hvad det er endnu, men vi ved godt, at det bliver interessant. "

Hvor vi går herfra

Resultaterne skaber fremskridt i en mangeårig debat om kilden til solvindens kompleksitet. Selvom STEREO -observationer ikke løser spørgsmålet, teamets metodologi åbner et manglende led i sol-til-sol-vind-kæden.

"Vi ser al denne variation i solvinden lige før den rammer Jordens magnetosfære, og et af vores mål var at spørge, om det overhovedet var muligt, at variabiliteten blev dannet ved Solen. Det viser sig, at svaret er ja, "Sagde Viall.

"Det giver os mulighed for første gang virkelig at undersøge forbindelsen gennem coronaen og justere, hvor sammenfiltret vi tror, ​​at magnetfeltet kommer i corona kontra solvinden, "Tilføjede DeForest.

Disse første observationer giver også en vigtig indsigt i, hvad NASAs kommende Parker Solar Probe finder, som den første mission nogensinde at indsamle målinger inde fra den ydre solkorona. Dette rumfartøj vil rejse til en afstand af 8,86 solradier, lige ind i regionen, hvor der kan findes interessante ting. DeForest og kollegers resultater giver dem mulighed for at forudsige, hvad Parker Solar Probe kan observere i denne region.

"Vi bør forvente kraftige udsving i tætheden, magnetiske udsving og genforbindelse overalt, og ingen veldefineret Alfvén-overflade, "Sagde DeForest.

Suppleret af Parker Solar Probe's in situ målinger, algoritmer til lang eksponering og støjreduktion vil blive endnu mere værdifulde for vores forståelse af vores nærmeste stjerne.