NASAs Parker Solar Probe kaster nyt lys på solen

I august 2018, NASA's Parker Solar Probe lanceret til rummet, snart at blive det nærmeste rumfartøj nogensinde på Solen. Med banebrydende videnskabelige instrumenter til at måle miljøet omkring rumfartøjet, Parker Solar Probe har gennemført tre ud af 24 planlagte passager gennem aldrig tidligere udforskede dele af Solens atmosfære, coronaen. Den 4. dec. 2019, fire nye artikler i bladet Natur beskriv, hvad videnskabsmænd har lært af denne hidtil usete udforskning af vores stjerne – og hvad de ser frem til at lære næste gang.

Disse fund afslører ny information om opførselen af ​​materialet og partiklerne, der suser væk fra Solen, bringer videnskabsmænd tættere på at besvare grundlæggende spørgsmål om vores stjernes fysik. I jagten på at beskytte astronauter og teknologi i rummet, de oplysninger, Parker har afdækket om, hvordan Solen konstant udstøder materiale og energi, vil hjælpe videnskabsmænd med at omskrive de modeller, vi bruger til at forstå og forudsige rumvejret omkring vores planet og forstå den proces, hvorved stjerner skabes og udvikler sig.

"Disse første data fra Parker afslører vores stjerne, solen, på nye og overraskende måder, " sagde Thomas Zurbuchen, associeret administrator for videnskab ved NASAs hovedkvarter i Washington. "At observere Solen tæt på snarere end fra en meget større afstand giver os et hidtil uset indblik i vigtige solfænomener, og hvordan de påvirker os på Jorden, og giver os ny indsigt, der er relevant for forståelsen af ​​aktive stjerner på tværs af galakser. Det er kun begyndelsen på en utrolig spændende tid for heliofysik med Parker i spidsen for nye opdagelser."

Selvom det kan virke roligt for os her på jorden, solen er alt andet end stille. Vores stjerne er magnetisk aktiv, udløser kraftige lysudbrud, vandfloder af partikler, der bevæger sig tæt på lysets hastighed og milliarder tons skyer af magnetiseret materiale. Al denne aktivitet påvirker vores planet, at injicere skadelige partikler i rummet, hvor vores satellitter og astronauter flyver, forstyrre kommunikations- og navigationssignaler, og endda - når det er intenst - udløser strømafbrydelser. Det har foregået i hele Solens 5 milliarder år lange levetid, og vil fortsætte med at forme Jordens og de andre planeters skæbner i vores solsystem ind i fremtiden.

"Solen har fascineret menneskeheden i hele vores eksistens, " sagde Nour E. Raouafi, projektforsker for Parker Solar Probe ved Johns Hopkins Applied Physics Laboratory i Laurel, Maryland, som byggede og administrerer missionen for NASA. "Vi har lært meget om vores stjerne i de sidste årtier, men vi havde virkelig brug for en mission som Parker Solar Probe for at gå ind i solens atmosfære. Det er kun der, at vi virkelig kan lære detaljerne i disse komplekse solprocesser. Og det, vi har lært i netop disse tre solbaner alene, har ændret meget af det, vi ved om Solen."

Det, der sker på Solen, er afgørende for at forstå, hvordan den former rummet omkring os. Det meste af det materiale, der undslipper Solen, er en del af solvinden, en kontinuerlig udstrømning af solmateriale, der bader hele solsystemet. Denne ioniserede gas, kaldet plasma, bærer Solens magnetfelt med sig, strækker det ud gennem solsystemet i en kæmpe boble, der strækker sig over mere end 10 milliarder miles.

Den dynamiske solvind

Observeret nær Jorden, solvinden er en relativt ensartet strøm af plasma, med lejlighedsvise turbulente tumblinger. Men på det tidspunkt har den rejst over halvfems millioner miles - og signaturerne af Solens nøjagtige mekanismer til opvarmning og acceleration af solvinden er udslettet. Tættere på solvindens kilde, Parker Solar Probe så et meget andet billede:et kompliceret, aktivt system.

"Kompleksiteten var overvældende, da vi først begyndte at se på dataene, " sagde Stuart Bale, University of California, Berkeley, bly til Parker Solar Probes FIELDS-instrumentsuite, som studerer skalaen og formen af ​​elektriske og magnetiske felter. "Nu, Jeg har vænnet mig til det. Men når jeg viser mine kolleger for første gang, de er bare blæst væk." Fra Parkers udsigtspunkt 15 millioner miles fra Solen, Bale forklarede, solvinden er meget mere impulsiv og ustabil, end hvad vi ser nær Jorden.

Ligesom solen selv, solvinden består af plasma, hvor negativt ladede elektroner er adskilt fra positivt ladede ioner, skabe et hav af frit svævende partikler med individuel elektrisk ladning. Disse fritsvævende partikler betyder, at plasma bærer elektriske og magnetiske felter, og ændringer i plasmaet sætter ofte mærker på disse felter. FIELDS-instrumenterne undersøgte solvindens tilstand ved at måle og omhyggeligt analysere, hvordan de elektriske og magnetiske felter omkring rumfartøjet ændrede sig over tid, sammen med måling af bølger i det nærliggende plasma.

Disse målinger viste hurtige vendinger i magnetfeltet og pludselige, hurtigere bevægelige stråler af materiale - alle egenskaber, der gør solvinden mere turbulent. Disse detaljer er nøglen til at forstå, hvordan vinden spreder energi, når den flyder væk fra Solen og gennem hele solsystemet.

Især én type begivenhed tiltrak videnskabsholdenes øjne:vendinger i retning af magnetfeltet, som strømmer ud fra solen, indlejret i solvinden. Disse reverseringer - kaldet "switchbacks" - varer alt fra et par sekunder til flere minutter, mens de flyder over Parker Solar Probe. Under et tilbageskifte, magnetfeltet pisker tilbage på sig selv, indtil det peger næsten direkte tilbage mod Solen. Sammen, FIELDS og SWEAP, solvindinstrumentsuiten ledet af University of Michigan og administreret af Smithsonian Astrophysical Observatory, målte klynger af switchbacks gennem Parker Solar Probes første to forbiflyvninger.

"Bølger er blevet set i solvinden fra begyndelsen af ​​rumalderen, og vi antog, at tættere på Solen ville bølgerne blive stærkere, men vi forventede ikke at se dem organisere sig i disse sammenhængende strukturerede hastighedsspidser, sagde Justin Kasper, hovedefterforsker for SWEAP – en forkortelse for Solar Wind Electrons Alphas and Protons – ved University of Michigan i Ann Arbor. "Vi opdager rester af strukturer fra Solen, der bliver slynget ud i rummet og voldsomt ændrer organisationen af ​​strømmene og magnetfeltet. Dette vil dramatisk ændre vores teorier for, hvordan koronaen og solvinden bliver opvarmet."

Den nøjagtige kilde til tilbagekoblingerne er endnu ikke forstået, men Parker Solar Probes målinger har gjort det muligt for forskere at indsnævre mulighederne.

Blandt de mange partikler, der konstant strømmer fra Solen, er en konstant stråle af hurtigt bevægende elektroner, som rider langs Solens magnetfeltlinjer ud i solsystemet. Disse elektroner flyder altid strengt langs formen af ​​feltlinjerne, der bevæger sig ud fra Solen, uanset om nordpolen af ​​magnetfeltet i det pågældende område peger mod eller væk fra Solen. Men Parker Solar Probe målte denne strøm af elektroner, der gik i den modsatte retning, vippe tilbage mod Solen – hvilket viser, at selve magnetfeltet skal bøje sig tilbage mod Solen, i stedet for at Parker Solar Probe blot støder på en anden magnetisk feltlinje fra Solen, der peger i den modsatte retning. Dette tyder på, at switchbacks er knæk i magnetfeltet - lokaliserede forstyrrelser, der rejser væk fra Solen, snarere end en ændring i magnetfeltet, når det kommer frem fra Solen.

Parker Solar Probes observationer af switchbacks tyder på, at disse begivenheder vil blive endnu mere almindelige, efterhånden som rumfartøjet kommer tættere på Solen. Missionens næste solmøde den 29. januar, 2020, vil føre rumfartøjet tættere på Solen end nogensinde før, og kan kaste nyt lys over denne proces. Ikke alene hjælper sådanne oplysninger med at ændre vores forståelse af, hvad der forårsager solvinden og rumvejret omkring os, det hjælper os også med at forstå en grundlæggende proces af, hvordan stjerner fungerer, og hvordan de frigiver energi til deres miljø.

Den roterende solvind

Nogle af Parker Solar Probes målinger bringer videnskabsmænd tættere på svar på årtier gamle spørgsmål. Et sådant spørgsmål handler om, hvordan Nemlig, solvinden strømmer ud fra Solen.

Nær Jorden, vi ser solvinden flyde næsten radialt - hvilket betyder, at den strømmer direkte fra Solen, lige ud i alle retninger. Men Solen roterer, mens den frigiver solvinden; før den bryder fri, solvinden snurrede sammen med den. Dette er lidt ligesom børn, der kører på en legepladsparkkarrusel - atmosfæren roterer med Solen, ligesom den ydre del af karrusellen roterer, men jo længere du kommer fra centrum, jo hurtigere bevæger du dig i rummet. Et barn på kanten hopper måske af og ville, på det tidspunkt, bevæge sig i en lige linje udad, i stedet for at fortsætte med at rotere. På lignende måde, der er et punkt mellem Solen og Jorden, solvinden går fra at rotere sammen med Solen til at strømme direkte udad, eller radialt, som vi ser fra Jorden.

Præcis hvor solvinden går fra en rotationsstrøm til en perfekt radial strømning har betydning for, hvordan Solen kaster energi. At finde det punkt kan hjælpe os til bedre at forstå andre stjerners livscyklus eller dannelsen af ​​protoplanetariske diske, de tætte skiver af gas og støv omkring unge stjerner, der til sidst smelter sammen til planeter.

Nu, for første gang – i stedet for blot at se den lige strøm, som vi ser nær Jorden – var Parker Solar Probe i stand til at observere solvinden, mens den stadig roterede. Det er, som om Parker Solar Probe for første gang fik direkte udsigt til den hvirvlende karrusel, ikke kun børnene, der hopper af den. Parker Solar Probes solvindinstrument registrerede rotation, der startede mere end 20 millioner miles fra Solen, og da Parker nærmede sig sit perihelpunkt, omdrejningshastigheden steg. Styrken af ​​cirkulationen var stærkere end mange videnskabsmænd havde forudsagt, men det skiftede også hurtigere end forudsagt til et udadgående flow, hvilket er det, der hjælper med at maskere disse effekter fra, hvor vi plejer at sidde, omkring 93 millioner miles fra Solen.

"Den store rotationsstrøm af solvinden, der blev set under de første møder, har været en virkelig overraskelse, " sagde Kasper. "Mens vi håbede på til sidst at se rotationsbevægelse tættere på Solen, de høje hastigheder, vi ser i disse første møder, er næsten ti gange større end forudsagt af standardmodellerne."

Støv nær solen

Et andet spørgsmål, der nærmer sig et svar, er den undvigende støvfri zone. Vores solsystem er oversvømmet af støv - de kosmiske krummer af kollisioner, der dannede planeter, asteroider, kometer og andre himmellegemer for milliarder af år siden. Forskere har længe haft mistanke om, at tæt på solen, dette støv ville blive opvarmet til høje temperaturer af kraftigt sollys, turning it into a gas and creating a dust-free region around the Sun. But no one had ever observed it.

For første gang, Parker Solar Probe's imagers saw the cosmic dust begin to thin out. Because WISPR—Parker Solar Probe's imaging instrument, led by the Naval Research Lab—looks out the side of the spacecraft, it can see wide swaths of the corona and solar wind, including regions closer to the Sun. These images show dust starting to thin a little over 7 million miles from the Sun, and this decrease in dust continues steadily to the current limits of WISPR's measurements at a little over 4 million miles from the Sun.

"This dust-free zone was predicted decades ago, but has never been seen before, " said Russ Howard, principal investigator for the WISPR suite—short for Wide-field Imager for Solar Probe—at the Naval Research Laboratory in Washington, D.C. "We are now seeing what's happening to the dust near the Sun."

At the rate of thinning, scientists expect to see a truly dust-free zone starting a little more than 2-3 million miles from the Sun—meaning Parker Solar Probe could observe the dust-free zone as early as 2020, when its sixth flyby of the Sun will carry it closer to our star than ever before.

Putting space weather under a microscope

Parker Solar Probe's measurements have given us a new perspective on two types of space weather events:energetic particle storms and coronal mass ejections.

Tiny particles—both electrons and ions—are accelerated by solar activity, creating storms of energetic particles. Events on the Sun can send these particles rocketing out into the solar system at nearly the speed of light, meaning they reach Earth in under half an hour and can impact other worlds on similarly short time scales. These particles carry a lot of energy, so they can damage spacecraft electronics and even endanger astronauts, especially those in deep space, outside the protection of Earth's magnetic field—and the short warning time for such particles makes them difficult to avoid.

Understanding exactly how these particles are accelerated to such high speeds is crucial. But even though they zip to Earth in as little as a few minutes, that's still enough time for the particles to lose the signatures of the processes that accelerated them in the first place. By whipping around the Sun at just a few million miles away, Parker Solar Probe can measure these particles just after they've left the Sun, shedding new light on how they are released.

Allerede, Parker Solar Probe's ISʘIS instruments, led by Princeton University, have measured several never-before-seen energetic particle events—events so small that all trace of them is lost before they reach Earth or any of our near-Earth satellites. These instruments have also measured a rare type of particle burst with a particularly high number of heavier elements—suggesting that both types of events may be more common than scientists previously thought.

"It's amazing—even at solar minimum conditions, the Sun produces many more tiny energetic particle events than we ever thought, " said David McComas, principal investigator for the Integrated Science Investigation of the Sun suite, or ISʘIS, at Princeton University in New Jersey. "These measurements will help us unravel the sources, acceleration, and transport of solar energetic particles and ultimately better protect satellites and astronauts in the future."

Data from the WISPR instruments also provided unprecedented detail on structures in the corona and solar wind—including coronal mass ejections, billion-ton clouds of solar material that the Sun sends hurtling out into the solar system. CMEs can trigger a range of effects on Earth and other worlds, from sparking auroras to inducing electric currents that can damage power grids and pipelines. WISPR's unique perspective, looking alongside such events as they travel away from the Sun, has already shed new light on the range of events our star can unleash.

"Since Parker Solar Probe was matching the Sun's rotation, we could watch the outflow of material for days and see the evolution of structures, " said Howard. "Observations near Earth have made us think that fine structures in the corona segue into a smooth flow, and we're finding out that's not true. This will help us do better modeling of how events travel between the Sun and Earth."

As Parker Solar Probe continues on its journey, it will make 21 more close approaches to the Sun at progressively closer distances, culminating in three orbits a mere 3.83 million miles from the solar surface.

"The Sun is the only star we can examine this closely, " sagde Nicola Fox, direktør for Heliophysics Division i NASAs hovedkvarter. "Getting data at the source is already revolutionizing our understanding of our own star and stars across the universe. Our little spacecraft is soldiering through brutal conditions to send home startling and exciting revelations."

Data from Parker Solar Probe's first two solar encounters is available to the public online.

Parker Solar Probe is part of NASA's Living with a Star program to explore aspects of the Sun-Earth system that directly affect life and society. The Living with a Star program is managed by the agency's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, for NASA's Science Mission Directorate in Washington. Johns Hopkins APL designed, built and operates the spacecraft.