Uventet regn på solen forbinder to solmysterier

I fem måneder i midten af ​​2017, Emily Mason gjorde det samme hver dag. Ankommer til hendes kontor på NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, hun sad ved sit skrivebord, åbnede sin computer, og stirrede på billeder af solen - hele dagen, hver dag. "Jeg har nok kigget tre eller fem års data igennem, " vurderede Mason. Så, i oktober 2017, hun stoppede. Hun indså, at hun hele tiden havde kigget på det forkerte.

Murer, en kandidatstuderende ved The Catholic University of America i Washington, D.C., ledte efter koronalregn:gigantiske kugler af plasma, eller elektrificeret gas, der drypper fra Solens ydre atmosfære tilbage til dens overflade. Men hun forventede at finde det i hjelmstreamers, de million-mile høje magnetiske sløjfer – opkaldt efter deres lighed med en ridders spidse hjelm – der kan ses rage ud fra Solen under en solformørkelse. Computersimuleringer forudsagde, at koronalregnen kunne findes der. Observationer af solvinden, gassen, der flygter fra solen og ud i rummet, antydede, at regnen kunne ske. Og hvis hun bare kunne finde det, den underliggende regndannende fysik ville have store konsekvenser for det 70 år gamle mysterium om, hvorfor Solens ydre atmosfære, kendt som corona, er så meget varmere end dens overflade. Men efter næsten et halvt års søgen, Mason kunne bare ikke finde det. "Det var meget at se, " sagde Mason, "for noget, der aldrig i sidste ende skete."

Problemet, det viste sig, var ikke det hun ledte efter men hvor. I et papir offentliggjort i dag i Astrofysiske tidsskriftsbreve , Mason og hendes medforfattere beskriver de første observationer af koronal regn i en mindre, tidligere overset slags magnetsløjfe på Solen. Efter lang tid, snoede søgning i den forkerte retning, resultaterne skaber en ny forbindelse mellem den unormale opvarmning af koronaen og kilden til den langsomme solvind - to af de største mysterier, som solvidenskaben står over for i dag.

Hvordan det regner på solen

Observeret gennem højopløsningsteleskoper monteret på NASAs SDO-rumfartøj, Solen - en varm kugle af plasma, vrimler med magnetfeltlinjer sporet af kæmpe, brændende sløjfer - synes at have få fysiske ligheder med Jorden. Men vores hjemmeplanet giver et par nyttige vejledninger til at analysere Solens kaotiske tumult:blandt dem, regn.

På jorden, regn er kun en del af det større vandkredsløb, en endeløs tovtrækkeri mellem varmeskub og tyngdekraft. Det begynder, når flydende vand, samlet på planetens overflade i oceanerne, søer, eller vandløb, opvarmes af Solen. Noget af det fordamper og stiger op i atmosfæren, hvor det afkøles og kondenserer til skyer. Til sidst, disse skyer bliver tunge nok til at tyngdekraftens træk bliver uimodståeligt og vandet falder tilbage til Jorden som regn, før processen starter forfra.

På Solen, Mason sagde, koronalregn fungerer på samme måde, "men i stedet for 60-graders vand har du at gøre med et million-graders plasma." Plasma, en elektrisk ladet gas, svømmer ikke som vand, men sporer i stedet de magnetiske sløjfer, der kommer frem fra Solens overflade som en rutsjebane på spor. Ved løkkens fodpunkter, hvor den fæstner sig til Solens overflade, plasmaet er overophedet fra nogle få tusinde til over 1,8 millioner grader Fahrenheit. Det udvider sig derefter op ad løkken og samler sig på sit højeste, langt fra varmekilden. Når plasmaet afkøles, det kondenserer og tyngdekraften lokker det ned ad løkkens ben som koronal regn.

Mason ledte efter koronalregn i hjelmstreamers, men hendes motivation for at se derhen havde mere at gøre med denne underliggende opvarmnings- og afkølingscyklus end selve regnen. I hvert fald siden midten af ​​1990'erne, forskere har vidst, at hjelmstreamere er en kilde til den langsomme solvind, en forholdsvis langsom, tæt strøm af gas, der undslipper Solen adskilt fra dens hurtigt bevægende modstykke. Men målinger af den langsomme solvindgas afslørede, at den engang var blevet opvarmet i ekstrem grad, før den afkølede og undslap Solen. Den cykliske proces med opvarmning og afkøling bag koronal regn, hvis det foregik inde i hjelmstreamerne, ville være en brik i puslespillet.

Den anden grund er forbundet med problemet med koronal opvarmning - mysteriet om, hvordan og hvorfor Solens ydre atmosfære er omkring 300 gange varmere end dens overflade. Påfaldende nok, Simuleringer har vist, at koronal regn kun dannes, når der tilføres varme til bunden af ​​løkken. "Hvis en sløjfe har koronal regn på sig, det betyder, at de nederste 10 % af det, eller mindre, er der koronal opvarmning sker, " sagde Mason. Regnende løkker giver en målestang, et afskæringspunkt for at bestemme, hvor koronaen bliver opvarmet. At starte deres søgen i de største sløjfer, de kunne finde – kæmpe hjelmstreamere – virkede som et beskedent mål, og en, der ville maksimere deres chancer for succes.

Hun havde de bedste data til jobbet:Billeder taget af NASAs Solar Dynamics Observatory, eller SDO, et rumfartøj, der har fotograferet Solen hvert tolvte sekund siden opsendelsen i 2010. Men næsten et halvt år inde i eftersøgningen, Mason havde stadig ikke observeret en eneste dråbe regn i en hjelmstreamer. Hun havde, imidlertid, bemærket en række små magnetiske strukturer, dem hun ikke var bekendt med. "De var virkelig lyse, og de blev ved med at tegne mit øje, " sagde Mason. "Da jeg endelig kiggede på dem, ganske vist havde de snesevis af timers regn ad gangen."

I første omgang, Mason var så fokuseret på sin hjelmstreamer-mission, at hun ikke gjorde noget ud af observationerne. "Hun kom til gruppemøde og sagde:'Jeg har aldrig fundet det - jeg ser det hele tiden i disse andre strukturer, men de er ikke hjelmstreamere, " sagde Nicholeen Viall, en solforsker ved Goddard, og en medforfatter af papiret. "Og jeg sagde, 'Vent ... vent. Hvor ser du det? Jeg tror ikke, nogen har set det før!"

En målestang til opvarmning

Disse strukturer adskilte sig fra hjelmstreamere på flere måder. Men det mest slående ved dem var deres størrelse.

"Disse løkker var meget mindre end det, vi ledte efter, " sagde Spiro Antiochos, som også er solfysiker hos Goddard og medforfatter til avisen. "Så det fortæller dig, at opvarmningen af ​​koronaen er meget mere lokaliseret, end vi troede."

Selvom resultaterne ikke siger præcis, hvordan koronaen opvarmes, "de skubber gulvet ned, hvor koronal opvarmning kunne ske, sagde Mason. Hun havde fundet regnsløjfer på omkring 30, 000 miles høj, kun to procent af højden af ​​nogle af de hjelmstreamere, hun oprindeligt ledte efter. Og regnen fortætter regionen, hvor den vigtigste koronale opvarmning kan finde sted. "Vi ved stadig ikke præcist, hvad der opvarmer coronaen, men vi ved, at det skal ske i dette lag, " sagde Mason.

En ny kilde til den langsomme solvind

Men en del af observationerne stemte ikke overens med tidligere teorier. Efter den nuværende forståelse, koronal regn dannes kun på lukkede sløjfer, hvor plasmaet kan samle sig og afkøle uden nogen form for flugt. Men da Mason gennemgik dataene, hun fandt tilfælde, hvor der dannedes regn på åbne magnetfeltlinjer. Forankret til Solen i kun den ene ende, den anden ende af disse åbne feltlinjer føres ud i rummet, og plasma der kunne undslippe ind i solvinden. For at forklare anomalien, Mason og holdet udviklede en alternativ forklaring - en der forbandt regn på disse små magnetiske strukturer til oprindelsen af ​​den langsomme solvind.

I den nye forklaring, det regnende plasma begynder sin rejse i en lukket sløjfe, men skifter - gennem en proces kendt som magnetisk genforbindelse - til en åben. Fænomenet sker ofte på Solen, når en lukket sløjfe støder ind i en åben marklinje, og systemet omtråder sig selv. Pludselig, det overophedede plasma på den lukkede sløjfe befinder sig på en åben feltlinje, som et tog, der har skiftet spor. Noget af det plasma vil hurtigt udvide sig, køl ned, og falde tilbage til Solen som koronalregn. Men andre dele af det vil undslippe – dannes, de mistænker, en del af den langsomme solvind.

Mason arbejder i øjeblikket på en computersimulering af den nye forklaring, men hun håber også, at kommende observationsbeviser kan bekræfte det. Nu hvor Parker Solar Probe, lanceret i 2018, rejser tættere på Solen end noget rumfartøj før den, den kan flyve gennem udbrud af langsom solvind, der kan spores tilbage til Solen - potentielt, til en af ​​Masons koronale regnbegivenheder. Efter at have observeret koronal regn på en åben marklinje, det udgående plasma, flygter til solvinden, ville normalt gå tabt for eftertiden. Men ikke længere. "Potentielt kan vi skabe den forbindelse med Parker Solar Probe og sige, det var det, " sagde Viall.

Grave gennem data

Hvad angår at finde koronalregn i hjelmstreamere? Eftersøgningen fortsætter. Simuleringerne er klare:regnen skal være der. "Måske er den så lille, at du ikke kan se den?" sagde Antiochos. "Vi ved det virkelig ikke."

Men så igen, hvis Mason havde fundet det, hun ledte efter, ville hun måske ikke have gjort opdagelsen – eller have brugt al den tid på at lære ins og outs af soldata.

"Det lyder som et slag, men ærligt talt er det min yndlingsting, " sagde Mason. "Jeg mener, det er derfor, vi byggede noget, der tager så mange billeder af Solen:Så vi kan se på dem og finde ud af det."