Parker Solar Probe og solvindens fødsel

Den her sommer, menneskeheden påbegynder sin første mission for at røre ved Solen:Et rumfartøj vil blive opsendt ind i Solens ydre atmosfære.

Over for flere millioner grader Fahrenheit temperaturer, NASA's Parker Solar Probe - opkaldt efter Eugene Parker, fysikeren ved University of Chicago, der først forudsagde solvindens eksistens - vil direkte prøve solpartikler og magnetiske felter i et forsøg på at løse nogle af de vigtigste spørgsmål, som solvidenskaben står over for i dag. Blandt disse spørgsmål:Hvad er oprindelsen af ​​solvinden, og hvordan accelereres den til hastigheder på op til 1,8 millioner miles i timen?

Solvinden fylder hele vores solsystem. Når vindstød af solvind ankommer til Jorden, de kan udløse blændende nordlys - men også udsætte astronauter for stråling, forstyrre satellitelektronik, og forstyrrer kommunikationssignaler som GPS og radiobølger. Jo mere vi forstår de grundlæggende processer, der driver solvinden, jo mere kan vi afbøde nogle af disse effekter.

I 1958, Parker udviklede en teori, der viser, hvordan Solens varme korona - på det tidspunkt kendt for at være millioner af grader Fahrenheit - er så varm, at den overvinder Solens tyngdekraft. Ifølge teorien, materialet i koronaen udvider sig kontinuerligt udad i alle retninger, danner en solvind. Et år senere, det sovjetiske rumfartøj Luna 1 opdagede solvindpartikler i rummet, og tre år efter det, observationerne blev bekræftet af NASAs Mariner 2-rumfartøj.

For alle de år siden, Mariner 2 opdagede to forskellige strømme af solvind:en langsom strøm, der rejser med cirka 215 miles i sekundet, og en hurtig strøm, der glider gennem rummet med dobbelt så hastighed. Derefter, i 1973, oprindelsen af ​​den hurtige solvind blev identificeret. Røntgenbilleder af koronaen taget fra Skylab - USA's første bemandede rumstation - afslørede, at den hurtige vind spyr fra koronale huller, som er mørke, forholdsvis kølige områder på Solen.

"Den langsomme solvind er, i mange henseender, et større mysterium, " sagde Jim Klimchuk, solfysiker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Det giver et stort løfte om at afsløre grundlæggende ny forståelse."

Oprindelsen og accelerationsmekanismerne for den langsomme solvind forbliver mystiske. Det er et spørgsmål om en årtier lang hård debat mellem videnskabsmænd.

Men vi er ikke uden spor. NASAs Ulysses-mission, opsendt i 1990 for at flyve rundt om Solens poler, observeret, at i perioder med minimal solaktivitet, den langsomme solvind er begrænset til Solens ækvator – lige hvor Parker Solar Probe vil flyve. Efterhånden som solcyklussen skrider frem mod sit maksimum, strukturen af ​​solvinden ændrer sig fra to forskellige regimer - hurtige ved polerne og langsom ved ækvator - til en blandet, inhomogen strømning.

Debatten om oprindelsen af ​​den langsomme solvind afhænger af en sondring mellem det, der er kendt som den lukkede og åbne korona. Den lukkede korona refererer til områder af Solen, hvor dens magnetiske feltlinjer er lukkede - dvs. forbundet til soloverfladen i begge ender. Lyse hjelmstreamere - store løkker, der dannes over magnetisk aktive områder, formet som en ridders spidse hjelm – er et sådant eksempel. Plasmaet, eller ioniseret gas, at rejse langs de lukkede sløjfer af en hjelmstreamer er for det meste begrænset til området nær Solen.

Den åbne corona, på den anden side, refererer til områder, hvor de magnetiske feltlinjer kun forankrer til Solen i den ene ende, strækker sig ud i rummet på den anden side, dermed skabe en motorvej for solmateriale til at flygte ud i rummet. Koronale huller - de køligere områder ved kilden til den hurtige solvind - er levested for åbne marklinjer.

Når den langsomme solvind forlader solkoronaen, det flyder også på åbne magnetfeltlinjer, da det er den eneste måde at komme så langt fra solen på. Men teorierne er forskellige om, hvorvidt det startede der, eller i stedet blev født på lukkede marklinjer kun for at skifte til åbne marklinjer et sted undervejs.

Ekspansionsfaktor teorien, for eksempel, hævder, at den langsomme solvind stammer fra åbne marklinjer, ligesom den hurtige vind. Dens (forholdsvis) langsomme hastighed skyldes den ekspanderende vej, den tager på vej ud af koronaen, som magnetiske feltlinjer skørter kanten af ​​hjelmstreamers. Ligesom vandet, der strømmer gennem et rør, aftager til at risle, når røret udvider sig, plasma, der bevæger sig langs disse udvidede magnetiske baner, sænker farten, danner den langsomme vind.

Andre teorier hævder, at den langsomme solvind stammer fra lukkede feltlinjer og senere skifter til åbne feltlinjer. Derfor, den langsomme vind dannes, når de åbne feltlinjer fra koronale huller støder ind i de lukkede feltlinjer ved kanterne af hjelmstreamers, eksplosivt omledninger sig selv i en begivenhed kaldet magnetisk genforbindelse. Som et tog, der skifter spor, efter at operatøren drejer en kontakt, plasmaet, der tidligere var på streamerens lukkede feltlinjer, befinder sig pludselig på en åben feltlinje, hvor den kan flygte ud i rummet.

Ideen om, at langsom solvindplasma engang var på lukkede feltlinjer, understøttes af beviser for, at det engang stod over for den slags ekstrem opvarmning, vi ved, der sker der.

"Det handler ikke om plasmaets temperatur, når vi måler det; det handler om plasmaets temperaturhistorie, " sagde Aleida Higginson, en forsker ved University of Michigan, der arbejder ved Goddard. "Vi kan fortælle, at den langsomme solvind var meget varmere tidligere." Ud over, den særlige blanding af elementer, der udgør den langsomme solvind, matcher godt med dem, der ses i den lukkede korona - men ikke med plasma, som vi ved altid har været på åbne feltlinjer.

Nuværende bestræbelser på at teste disse teorier med rumfartøjer nær Jorden hindres af den store afstand mellem deres målinger og solvindens oprindelse (meget kan ske på 93 millioner miles). Nøglen er at komme tæt på, spore solvinden tilbage til dens kilde – og Parker Solar Probe vil gøre netop det.

"Hvis vi kan måle den langsomme solvind, og finde ud af, at det kommer fra grænsen mellem åbne og lukkede magnetfelter, så understøtter det ideen om, at magnetisk genforbindelse giver anledning til den langsomme solvind, " sagde Klimchuk.

Parker Solar Probes instrumenter vil indsamle nedstrøms beviser for magnetisk genforbindelse - et kontrollampe tegn på, at teorien om lukket felt til åbent felt er i spil. Specifikke former for genforbindelse vrider det resulterende magnetfelt på forskellige måder, og Parkers instrumenter vil tidligt måle drejningerne i disse felter, før de har haft meget tid til at blive fordrejet. Ud over, Nærbilleder af den begyndende solvind vil fortælle os, hvordan koronale strukturer udvikler sig, når de forplanter sig udad. Dette vil hjælpe os med at besvare et langvarigt spørgsmål, om solvinden er en kontinuerlig eller intermitterende strøm.

For forskere, der higer efter data for at teste deres teorier, nøjagtige målinger af solkoronaens magnetfelter vil være uvurderlige. "Det er derfor, Parkers mission er så vigtig, " sagde Higginson. "Det hele sporer tilbage til at forstå den detaljerede magnetiske struktur på Solen."