Parker Solar Probe og det mærkelige tilfælde af den varme corona

Der foregår noget mystisk ved Solen. På trods af al logik, dens atmosfære bliver meget, meget varmere, jo længere den strækker sig fra Solens flammende overflade.

Temperaturer i koronaen - den spinkle, det yderste lag af solatmosfæren - spidser op mod 2 millioner grader Fahrenheit, mens kun 1, 000 miles under, den underliggende overflade simrer ved en lun 10, 000 F. Hvordan Solen klarer denne bedrift er fortsat et af de største ubesvarede spørgsmål inden for astrofysik; videnskabsmænd kalder det problemet med koronal opvarmning. En ny, skelsættende mission, NASA's Parker Solar Probe - planlagt til at blive lanceret tidligst den 11. august, 2018 - vil flyve gennem selve coronaen, søger ledetråde til dens adfærd og giver videnskabsmænd mulighed for at løse dette mysterium.

Fra Jorden, som vi ser det i synligt lys, solens udseende - stille, uforanderlig - modsiger vores nærmeste stjernes liv og drama. Dens turbulente overflade rystes af udbrud og intense strålingsudbrud, som kaster solmateriale med utrolige hastigheder til hvert hjørne af solsystemet. Denne solaktivitet kan udløse rumvejrhændelser, der har potentiale til at forstyrre radiokommunikation, skade satellitter og astronauter, og på det mest alvorlige, forstyrre elnettet.

Over overfladen, koronaen strækker sig over millioner af miles og ruller med plasma, gasser overophedet så meget, at de adskilles i en elektrisk strøm af ioner og frie elektroner. Til sidst, den fortsætter udad som solvinden, en supersonisk strøm af plasma, der gennemsyrer hele solsystemet. Også, det er, at mennesker lever godt inden for vores sols udvidede atmosfære. At forstå koronaen fuldt ud og alle dens hemmeligheder er at forstå ikke kun stjernen, der driver livet på Jorden, men også, selve rummet omkring os.

Et 150 år gammelt mysterium

Det meste af det, vi ved om koronaen, er dybt forankret i historien om totale solformørkelser. Før sofistikerede instrumenter og rumfartøjer, den eneste måde at studere koronaen fra Jorden var under en total formørkelse, når månen blokerer for solens lyse ansigt, afsløre omgivelserne, lysdæmper corona.

Historien om problemet med koronal opvarmning begynder med en grøn spektral linje observeret under en total formørkelse i 1869. Fordi forskellige elementer udsender lys ved karakteristiske bølgelængder, videnskabsmænd kan bruge spektrometre til at analysere lys fra Solen og identificere dets sammensætning. Men den grønne linje observeret i 1869 svarede ikke til nogen kendte grundstoffer på Jorden. Forskere troede, at de måske havde opdaget et nyt element, og de kaldte det koronium.

Først 70 år senere opdagede en svensk fysiker, at grundstoffet, der er ansvarligt for emissionen, er jern, overophedet til det punkt, at det er ioniseret 13 gange, efterlader det med kun halvdelen af ​​elektronerne fra et normalt jernatom. Og deri ligger problemet:Forskere beregnede, at så høje niveauer af ionisering ville kræve koronale temperaturer omkring 2 millioner grader Fahrenheit - næsten 200 gange varmere end overfladen.

I årtier, denne vildledende enkle grønne linje har været solvidenskabens Mona Lisa, forvirrende videnskabsmænd, der ikke kan forklare dens eksistens. Siden kilden blev identificeret, vi er kommet til at forstå, at gåden er endnu mere kompleks, end den først så ud.

"Jeg tænker på problemet med koronal opvarmning som en paraply, der dækker et par relaterede forvirrende problemer, sagde Justin Kasper, en rumforsker ved University of Michigan i Ann Arbor. Kasper er også hovedefterforsker for SWEAP, forkortelse for Solar Wind Electrons Alphas and Protons Investigation, en instrumentsuite ombord på Parker Solar Probe. "Først, hvordan bliver coronaen så varm så hurtigt? Men den anden del af problemet er, at det ikke bare starter, det bliver ved. Og ikke kun fortsætter opvarmningen, men forskellige elementer opvarmes med forskellige hastigheder." Det er et spændende hint om, hvad der foregår med opvarmning i Solen.

Siden opdagelsen af ​​den varme corona, videnskabsmænd og ingeniører har gjort et stort arbejde for at forstå dens adfærd. De har udviklet kraftfulde modeller og instrumenter og opsendt rumfartøjer, der ser på Solen døgnet rundt. Men selv de mest komplekse modeller og højopløselige observationer kan kun delvist forklare koronal opvarmning, og nogle teorier modsiger hinanden. Der er også problemet med at studere koronaen på afstand.

Vi lever måske i solens vidtstrakte atmosfære, men corona- og solplasmaet i det nære Jord-rum adskiller sig dramatisk. Det tager den langsomme solvind omkring fire dage at rejse 93 millioner miles og nå Jorden eller rumfartøjet, der studerer den - masser af tid for den at blande sig med andre partikler, der glider gennem rummet og miste sine definerende egenskaber.

At studere denne homogene suppe af plasma for spor til koronal opvarmning er som at prøve at studere et bjergs geologi, ved at sigte gennem sediment i et floddelta tusindvis af kilometer nedstrøms. Ved at rejse til coronaen, Parker Solar Probe vil prøve netop opvarmede partikler, fjerner usikkerheden ved en 93 millioner kilometer lang rejse og sender de mest uberørte målinger af koronaen, der nogensinde er registreret, tilbage til Jorden.

"Alt vores arbejde gennem årene er kulmineret til dette punkt:Vi indså, at vi aldrig fuldt ud kan løse problemet med koronal opvarmning, før vi sender en sonde for at foretage målinger i selve koronaen, " sagde Nour Raouafi, Parker Solar Probe stedfortrædende projektforsker og solfysiker ved Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory i Laurel, Maryland.

At rejse til solen er en idé ældre end NASA selv, men det har taget årtier at udvikle den teknologi, der gør dens rejse mulig. Til den tid, videnskabsmænd har bestemt præcist, hvilke slags data - og tilsvarende instrumenter - de har brug for for at fuldende et billede af coronaen og besvare dette ultimative af brændende spørgsmål.

Forklarer coronaens hemmeligheder

Parker Solar Probe vil teste to hovedteorier for at forklare koronal opvarmning. De ydre lag af Solen koger konstant og ruller af mekanisk energi. Mens massive celler af ladet plasma kværner gennem Solen - på samme måde som forskellige bobler ruller op gennem en gryde med kogende vand - genererer deres flydende bevægelse komplekse magnetiske felter, der strækker sig langt op i koronaen. På en eller anden måde, de sammenfiltrede felter kanaliserer denne voldsomme energi ind i koronaen som varme - hvordan de gør det er, hvad hver teori forsøger at forklare.

En teori foreslår, at elektromagnetiske bølger er roden til koronaens ekstreme varme. Måske sender den kogende bevægelse magnetiske bølger af en bestemt frekvens - kaldet Alfvén-bølger - fra dybt inde i Solen ud i koronaen, som sender ladede partikler til at snurre og opvarmer atmosfæren, lidt ligesom hvordan havets bølger skubber og accelererer surfere mod kysten.

En anden antyder bombelignende eksplosioner, kaldet nanoflares, på tværs af Solens overflade dumper varme i solens atmosfære. Ligesom deres større kolleger, soludbrud, nanoflares menes at være resultatet af en eksplosiv proces kaldet magnetisk genforbindelse. Turbulent kogning på Solen vrider og forvrider magnetiske feltlinjer, opbygge stress og spændinger, indtil de eksplosivt snapper – som at bryde et overviklet gummibånd – og accelererer og opvarmer partikler i deres kølvand.

De to teorier udelukker ikke nødvendigvis hinanden. Faktisk, at komplicere sagerne, mange forskere tror, ​​at begge kan være involveret i at opvarme koronaen. Sommetider, for eksempel, den magnetiske genforbindelse, der sætter en nanoflare i gang, kan også affyre Alfvén-bølger, som derefter opvarmer omgivende plasma yderligere.

Det andet store spørgsmål er, hvor ofte sker disse processer - konstant eller i distinkte udbrud? Svar, der kræver et detaljeringsniveau, vi ikke har fra 93 millioner miles væk.

"Vi går tæt på opvarmningen, og der er tidspunkter, at Parker Solar Probe vil rotere sammen, eller kredse om Solen med samme hastighed som Solen selv roterer, sagde Erik Christian, en rumforsker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, og medlem af missionens videnskabsteam. "Det er en vigtig del af videnskaben. Ved at svæve over det samme sted, vi vil se udviklingen af ​​opvarmning."

Afdækning af beviser

Når Parker Solar Probe ankommer til coronaen, hvordan vil det hjælpe videnskabsmænd med at skelne, om bølger eller nanoflammer driver opvarmning? Mens rumfartøjet bærer fire instrumentsuiter til en række forskellige typer forskning, især to vil indhente data, der er nyttige til at løse mysteriet om koronal opvarmning:FIELDS-eksperimentet og SWEAP.

Overvåger af usynlige kræfter, FELTER, ledet af University of California, Berkeley, måler direkte elektriske og magnetiske felter, for at forstå chok, bølger og magnetiske genforbindelseshændelser, der opvarmer solvinden.

SWEAP – ledet af Harvard-Smithsonian Astrophysical Observatory i Cambridge, Massachusetts - er den komplementære halvdel af undersøgelsen, indsamling af data om selve det varme plasma. Det tæller de mest udbredte partikler i solvinden - elektroner, protoner og heliumioner - og måler deres temperatur, hvor hurtigt de bevæger sig efter de er blevet opvarmet, og i hvilken retning.

Sammen, de to instrumentsuiter tegner et billede af de elektromagnetiske felter, der menes at være ansvarlige for opvarmning, samt de netop opvarmede solpartikler, der hvirvler gennem koronaen. Nøglen til deres succes er målinger i høj opløsning, i stand til at løse interaktioner mellem bølger og partikler på blot brøkdele af et sekund.

Parker Solar Probe vil svæve inden for 3,9 millioner miles fra Solens overflade - og selvom denne afstand kan virke stor, rumfartøjet er godt positioneret til at registrere signaturer af koronal opvarmning. "Selvom magnetiske genforbindelseshændelser finder sted lavere nede nær solens overflade, rumfartøjet vil se plasmaet lige efter de opstår, " sagde Goddard-solforsker Nicholeen Viall. "Vi har en chance for at stikke vores termometer lige i koronaen og se temperaturen stige. Sammenlign det med at studere plasma, der blev opvarmet for fire dage siden fra Jorden, hvor en masse af 3D-strukturerne og tidsfølsomme informationer udvaskes."

Denne del af coronaen er helt uudforsket territorium, og videnskabsmænd forventer seværdigheder ulig noget, de har set før. Nogle tror, ​​at plasmaet der vil være tjavset og spinkelt, som cirrusskyer. Eller måske vil det fremstå som massive piberenser-lignende strukturer, der udstråler fra Solen.

"Jeg er ret sikker på, at når vi får den første runde af data tilbage, vi vil se, at solvinden i lavere højder nær Solen er spids og impulsiv, " sagde Stuart Bale, University of California, Berkeley, astrofysiker og FIELDS hovedforsker. "Jeg ville lægge mine penge på, at dataene var meget mere spændende end det, vi ser i nærheden af ​​Jorden."

Dataene er komplicerede nok - og kommer fra flere instrumenter - til at det vil tage videnskabsmænd noget tid at sammensætte en forklaring på koronal opvarmning. Og fordi solens overflade ikke er glat og varierer overalt, Parker Solar Probe skal lave flere passager over Solen for at fortælle hele historien. Men videnskabsmænd er overbeviste om, at det har værktøjerne til at besvare deres spørgsmål.

Den grundlæggende idé er, at hver foreslået mekanisme til opvarmning har sin egen særskilte signatur. Hvis Alfvén-bølger er kilden til koronaens ekstreme varme, FIELDS vil registrere deres aktivitet. Da tungere ioner opvarmes med forskellige hastigheder, det ser ud til, at forskellige klasser af partikler interagerer med disse bølger på bestemte måder; SWEAP vil karakterisere deres unikke interaktioner.

Hvis nanoflammer er ansvarlige, forskere forventer at se jetfly af accelererede partikler skyde ud i modsatte retninger - et tydeligt tegn på eksplosiv magnetisk genforbindelse. Hvor magnetisk genforbindelse finder sted, de bør også opdage hot spots, hvor magnetiske felter hurtigt ændrer sig og opvarmer det omgivende plasma.

Opdagelser ligger forude

Der er en iver og spænding, der summer blandt solforskere:Parker Solar Probes mission markerer et skelsættende øjeblik i astrofysikkens historie, og de har en reel chance for at opklare de mysterier, der har forvirret deres felt i næsten 150 år.

Ved at samle koronaens indre funktioner, videnskabsmænd vil nå en dybere forståelse af den dynamik, der udløser rumvejrbegivenheder, forme forhold i det nære Jordens rum. Men anvendelserne af denne videnskab strækker sig også ud over solsystemet. Solen åbner et vindue til at forstå andre stjerner - især dem, der også udviser sollignende opvarmning - stjerner, der potentielt kunne fremme beboelige miljøer, men som er for langt til nogensinde at studere. Og belysning af plasmas fundamentale fysik kunne sandsynligvis lære videnskabsmænd en hel del om, hvordan plasmaer opfører sig andre steder i universet, som i klynger af galakser eller omkring sorte huller.

Det er også fuldt ud muligt, at vi ikke engang har tænkt over de største opdagelser, der kommer. Det er svært at forudsige, hvordan løsning af koronal opvarmning vil ændre vores forståelse af rummet omkring os, men grundlæggende opdagelser som denne har evnen til at ændre videnskab og teknologi for altid. Parker Solar Probes rejse tager menneskelig nysgerrighed til et aldrig før set område af solsystemet, hvor enhver observation er en potentiel opdagelse.

"Jeg er næsten sikker på, at vi vil opdage nye fænomener, vi ikke ved noget om nu, og det er meget spændende for os, " sagde Raouafi. "Parker Solar Probe vil skrive historie ved at hjælpe os med at forstå koronal opvarmning - såvel som solvindacceleration og solenergipartikler - men jeg tror også, at den har potentialet til at styre retningen for solfysikkens fremtid."