Solens nærbillede afslører atmosfæren hopper med meget energiske partikler

Udbrud af energiske partikler, der suser ud fra solen og kan forstyrre rumkommunikation, kan være endnu mere varierede og talrige end tidligere antaget, ifølge resultater fra solens nærmeste forbiflyvning nogensinde.

De nye resultater, som hjælper os med at forstå solens aktivitet og i sidste ende kunne give en tidlig advarsel om solstorme, kommer fra en af ​​de fire instrumentsuiter ombord på NASAs Parker Solar Probe, et rumfartøj, der har gennemført sine første gennemløb nær den brændende kugle. Resultater fra alle fire suiter vises i dag i et sæt artikler offentliggjort i tidsskriftet Natur .

Konstateringen af, at disse energiske partikelbegivenheder er mere varierede og talrige end tidligere kendt, var en af ​​flere opdagelser gjort af instrumentpakken kendt som Integrated Science Investigation of the Sun (ISOIS), et projekt ledet af Princeton University, der involverer flere institutioner samt NASA.

"Denne undersøgelse markerer en stor milepæl med menneskehedens rekognoscering af nær-sol-miljøet, sagde David McComas, hovedefterforskeren for ISOIS-instrumentpakken, en Princeton-professor i astrofysiske videnskaber og vicepræsident for Princeton Plasma Physics Laboratory. "Det giver de første direkte observationer af det energiske partikelmiljø i området lige over solens øvre atmosfære, coronaen.

"At se disse observationer har været et kontinuerligt 'eureka-øjeblik, '" sagde McComas. "Når vi modtager nye data fra rumfartøjet, vi er vidne til noget, som ingen nogensinde har set før. Det er så godt, som det kan blive!"

ISOIS søger at finde ud af, hvordan partiklerne bevæger sig så hurtigt, og hvad der presser dem til at accelerere. Forskerne, der søger efter disse svar, omfatter ISOIS-teammedlemmer ved California Institute of Technology (Caltech), John Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL), NASA Goddard Space Flight Center, NASA Jet Propulsion Laboratory, University of New Hampshire, Southwest Research Institute, University of Delaware og University of Arizona, samt samarbejdspartnere ved University of California-Berkeley, Imperial College London, University of Michigan, Smithsonian Astrophysical Observatory og National Center for Scientific Research i Frankrig.

Højenergiske partikler kan forstyrre kommunikations- og GPS-satellitter (Global Positioning Systems). Disse strømme af partikler, består primært af protoner, har to kilder. Den første er uden for vores solsystem, genereret, når eksploderende stjerner frigiver strømme af partikler kendt som kosmiske stråler. Den anden er vores sol. Begge dele kan skade de elektriske systemer i rumfartøjer og er former for stråling, der kan skade astronauters helbred.

Disse energiske partikler flyver meget hurtigere end solvinden, som er den cirka millioner mile-i-time-strøm af varm elektrisk ladet gas, der pisker solen af. Hvis solvinden var en strøm, de energiske partikler ville være fisk, der springer ud og springer foran strømmen. Partiklerne bevæger sig langs stier - kaldet magnetiske fluxrør - der strækker sig fra koronaen ud i solvinden.

Forståelse af disse partikler kan forbedre rumvejrsudsigter og give tidlig advarsel om de massive storme, der kan forstyrre jordisk kommunikation og rumrejser.

"Svaret på spørgsmål om, hvordan energiske partikler dannes og accelererer, er utrolig vigtigt, " sagde Ralph McNutt, der overvågede bygningen af ​​den lavere energi af suitens to instrumenter og er chefforsker i Space Exploration Sector ved APL. "Disse partikler påvirker vores aktiviteter på Jorden og vores evne til at få vores astronauter ud i rummet. Vi skriver historie med denne mission."

På grund af deres hastighed, partiklerne fungerer som et tidligt advarselssignal for rumvejr, sagde Jamey Szalay, en associeret forsker ved Institut for Astrofysiske Videnskaber i Princeton, der leder datavisualiseringsindsatsen for ISOIS. "Disse partikler bevæger sig hurtigt, så hvis der er en stor solstorm på vej, disse partikler er de første indikatorer."

De fleste tidligere undersøgelser af solenergipartikler var afhængige af detektorer placeret i rummet i omtrent samme afstand fra Solen som Jorden - 93 millioner miles fra solen. Når partiklerne når til disse detektorer, det er svært at spore, hvor de kom fra, fordi partiklerne fra forskellige kilder har interageret og blandet sig.

"Det er lidt ligesom biler, der kommer fra overfyldte tunneller og broer og breder sig ud på mellemstatslige motorveje, " sagde McComas. "De bliver hurtigere, når de bevæger sig væk, men de bliver også blandet og interagerer på måder, så det er umuligt at sige, hvem der kom hvorfra, når man bevæger sig længere og længere væk fra kilderne."

I sine første ture rundt om solen, Parker Solar Probe rejste dobbelt så tæt på solen, som noget tidligere rumfartøj nogensinde har været. På det nærmeste, rumfartøjet var 14 millioner miles - eller 35 solradier, som er 17,5 bredder af solen - fra den brændende overflade.

At komme tæt på solen er afgørende for at optrevle, hvordan disse partikler dannes og får høj energi, sagde Erik Christian, den stedfortrædende hovedefterforsker på ISOIS og en seniorforsker ved NASA Goddard. "Det er som at prøve at måle, hvad der sker i et bjerg ved at studere bunden af ​​bjerget. At vide, hvad der sker, du skal gå, hvor handlingen er:Du skal op på bjerget."

En potentiel bekymring for forskerne var, at solens 11-årige aktivitetscyklus i øjeblikket er på et lavt niveau. Men det lave aktivitetsniveau viste sig at være en fordel.

"Det faktum, at solen var stille, gjorde det muligt for os at analysere begivenheder, der er ekstremt isolerede, " sagde Nathan Schwadron, en professor i fysik og astronomi og leder af ISOIS science operation center ved University of New Hampshire. "Dette er begivenheder, som ikke er blevet set længere væk, fordi de bare er blevet ramt af solvindens aktivitet."

Under sine første to kredsløb, ISOIS observerede flere fascinerende fænomener. Den ene var et udbrud af energisk partikelaktivitet, der faldt sammen med en koronal masseudstødning, et voldsomt udbrud af energisatte og magnetiserede partikler fra koronaen. Inden udkastningen, ISOIS detekterede en ophobning af relativt lavenergipartikler, hvorimod der efter udstødningen var en opbygning af højenergetiske partikler. Disse begivenheder var små og kunne ikke spores fra Jordens kredsløb.

En anden observation fra ISOIS var partikelaktivitet, der indikerer en slags solvind trafikprop, som sker, når solvinden pludselig aftager, hvilket får hurtiggående solvind til at hobe sig op bag den og danner et komprimeret område af partikler. Denne opbygning, som astrofysikere kalder et samroterende interaktionsområde, opstod ud over Jordens kredsløb og sendte højenergipartikler tilbage mod solen, hvor de blev observeret af ISOIS.

Researchers are eager to understand the mechanisms by which the sun accelerates particles to high speeds. ISOIS's detection of each particle's identity—whether it is hydrogen, helium, kulstof, ilt, iron or another element—will help researchers further explore this question.

"There are two kinds of acceleration mechanisms, one that occurs in solar flares when magnetic fields reconnect, and another that occurs when you get shocks and compressions of the solar wind, but the details of how they cause particle acceleration are not that well understood, " said Mark Wiedenbeck, a principal scientist at NASA's Jet Propulsion Laboratory, who oversaw the development of the higher energy instrument in the ISOIS suite. "The composition of the particles is a key diagnostic to tell us the acceleration mechanism."

ISOIS made its third brush by the sun on Sept. 1, and will make its next on Jan. 29, 2020. As the mission continues, the satellite will make a total of 24 orbits, each time getting closer to the solar surface, until it is roughly five sun-widths from the star. The researchers hope that future flybys will reveal insights into the source of the energetic particles. Do they start as "seed particles" that go on to attain higher energies?

Jamie Sue Rankin, a postdoctoral researcher at Princeton working in the McComas group, began working on the higher energy ISOIS instrument as a graduate student at Caltech.

"It has been neat to see this whole process develop over the past decade, " Rankin said. "It is like surfing a wave:We built these instruments, made sure they were working, made adjustments to make sure the calibrations were right—and now comes the exciting part, answering the questions that we set out to address.

"With any spacecraft, when you go out into space, you think you know what to expect, but there are always wonderful surprises that complicate our lives in the best way, " she said. "That is what keeps us doing what we do."