Løsning af solens superopvarmningsmysterium med Parker Solar Probe

Det er et af de største og længstvarende mysterier omkring, helt bogstaveligt, vores sol - hvorfor er dens ydre atmosfære varmere end dens brændende overflade?

University of Michigan-forskere mener, at de har svaret, og håber at bevise det med hjælp fra NASAs Parker Solar Probe. Om cirka to år, sonden vil være det første menneskeskabte fartøj, der kommer ind i zonen omkring solen, hvor opvarmning ser fundamentalt anderledes ud, end hvad man tidligere har set i rummet. Dette vil give dem mulighed for at teste deres teori om, at opvarmningen skyldes små magnetiske bølger, der rejser frem og tilbage inden for zonen.

Løsning af gåden ville give videnskabsfolk mulighed for bedre at forstå og forudsige solvejr, som kan udgøre alvorlige trusler mod Jordens elnet. Og trin et er at bestemme, hvor opvarmningen af ​​solens ydre atmosfære begynder og slutter - et puslespil uden mangel på teorier.

En gang inden for denne zone, Parker Solar Probe hjælper med at bestemme, hvad der forårsager opvarmningen, ved direkte at måle de magnetiske felter og partikler der.

"Uanset hvad fysikken ligger bag denne overophedning, det er et puslespil, der har stirret os i øjnene i 500 år, sagde Justin Kasper, en U-M professor i klima- og rumvidenskab og en hovedefterforsker for Parker-missionen. "Om blot to år mere vil Parker Solar Probe endelig afsløre svaret."

U-M teorien er lagt i et papir, Stærk præferentiel ionopvarmning er begrænset til inden for Solar Alfven-overfladen, offentliggjort 4. juni i The Astrofysiske tidsskriftsbreve .

I denne "zone med præferenceopvarmning" over solens overflade, temperaturerne stiger generelt. Endnu mere bizart, individuelle elementer opvarmes til forskellige temperaturer, eller fortrinsvis. Nogle tungere ioner overophedes, indtil de er ti gange varmere end den brint, der er overalt i dette område - varmere end solens kerne.

Sådanne høje temperaturer får solatmosfæren til at svulme op til mange gange solens diameter, og det er grunden til, at vi ser den udvidede korona under solformørkelser. I den forstand, Kasper siger:mysteriet om koronal opvarmning har været synligt for astronomer i mere end et halvt årtusinde, også selvom de høje temperaturer først blev værdsat inden for det sidste århundrede.

Denne samme zone har hydromagnetiske "Alfvén-bølger", der bevæger sig frem og tilbage mellem dens yderste kant og solens overflade. I den yderste kant, kaldet Alfvén-punktet, solvinden bevæger sig hurtigere end Alfvéns hastighed, og bølgerne kan ikke længere rejse tilbage til solen.

"Når du er under Alfvén-punktet, du er i denne suppe af bølger, " sagde Kasper. "Ladede partikler afbøjes og accelereres af bølger, der kommer fra alle retninger."

I forsøget på at vurdere, hvor langt fra solens overflade denne præferenceopvarmning stopper, U-M's hold undersøgte årtiers observationer af solvinden fra NASAs Wind-rumfartøj. De så på, hvor meget af heliums øgede temperatur tæt på solen, der blev skyllet ud af kollisioner mellem ioner i solvinden, da de rejste ud til Jorden. At se heliumtemperaturens fald gav dem mulighed for at måle afstanden til den ydre kant af zonen.

"Vi tager alle data og behandler det som et stopur for at finde ud af, hvor lang tid der var gået siden vinden blev overophedet, " sagde Kasper. "Da jeg ved, hvor hurtigt den vind bevæger sig, Jeg kan konvertere oplysningerne til en afstand."

Disse beregninger sætter den ydre kant af overophedningszonen omkring 10 til 50 solradier fra overfladen. Det var umuligt at være mere definitiv, da nogle værdier kun kunne gættes på.

I første omgang, Kasper tænkte ikke på at sammenligne sit skøn over zonens placering med Alfvén-punktet, men han ville vide, om der var en fysisk meningsfuld placering i rummet, der producerede den ydre grænse. Efter at have læst, at Alfvén-punktet og andre overflader er blevet observeret at udvide sig og trække sig sammen med solaktivitet, han og medforfatter Kristopher Klein, en tidligere U-M postdoc og nyt fakultet ved University of Arizona, omarbejdede deres analyse og kiggede på ændringer fra år til år i stedet for at overveje hele Wind-missionen.

"Til mit chok, den ydre grænse af zonen med præferenceopvarmning og Alfvén-punktet bevægede sig i låsetrin på en fuldstændig forudsigelig måde på trods af at de var fuldstændig uafhængige beregninger, " sagde Kasper. "Du overplotter dem, og de gør præcis det samme over tid."

Så markerer Alfvén-punktet yderkanten af ​​varmezonen? Og hvad er det egentlig, der ændrer sig under Alfvén-punktet, der overophedes tunge ioner? Vi burde vide det inden for de næste par år. Parker Solar Probe løftede sig i august 2018 og havde sit første møde med solen i november 2018 - og kom allerede tættere på solen end noget andet menneskeskabt objekt.

I de kommende år, Parker vil komme endnu tættere på for hver gang, indtil sonden falder under Alfvén-punktet. I deres papir forudsiger Kasper og Klein, at den bør komme ind i zonen med præferenceopvarmning i 2021, da grænsen udvides med stigende solaktivitet. . Så vil NASA have information direkte fra kilden til at besvare alle mulige langvarige spørgsmål.

"Med Parker Solar Probe vil vi være i stand til definitivt gennem lokale målinger at bestemme, hvilke processer der fører til accelerationen af ​​solvinden og den foretrukne opvarmning af visse elementer, " sagde Klein. "Forudsigelserne i dette papir tyder på, at disse processer fungerer under Alfvén-overfladen, et område tæt på Solen, som intet rumfartøj har besøgt, hvilket betyder, at disse præferenceopvarmningsprocesser aldrig tidligere er blevet målt direkte."

Kasper er hovedefterforsker af Solar Wind Electrons Alphas and Protons (SWEAP) undersøgelse på Parker Solar Probe. SWEAPs sensorer øser solvinden og koronalpartikler op under hvert møde for at måle hastigheden, temperatur, og tæthed og kaste lys over opvarmningsmysteriet.

Avisen har titlen, "Stærk præferentiel ionopvarmning er begrænset til inden for Solar Alfven-overfladen."