Afslører solens fysik med Parker Solar Probe

Næsten halvandet år inde i sin mission, Parker Solar Probe har returneret gigabyte af data om Solen og dens atmosfære. Efter udgivelsen af ​​den allerførste videnskab fra missionen, fem forskere præsenterede yderligere nye resultater fra Parker Solar Probe på efterårsmødet i American Geophysical Union den 11. december, 2019. Forskning fra disse hold antyder processerne bag både Solens kontinuerlige udstrømning af materiale – solvinden – og mere sjældne solstorme, der kan forstyrre teknologi og bringe astronauter i fare, sammen med ny indsigt i rumstøv, der skaber Geminidernes meteorregn.

Den unge solvind

Solvinden bærer Solens magnetfelt med sig, forme rumvejr i hele solsystemet, når det strømmer ud fra Solen med omkring en million miles i timen. Nogle af Parker Solar Probes primære videnskabelige mål er at udpege de mekanismer, der sender solvinden, der strømmer ud i rummet med så høje hastigheder.

Et spor ligger i forstyrrelser i solvinden, der kunne pege på de processer, der opvarmer og accelererer vinden. Disse strukturer - lommer af relativt tæt materiale - er blevet set i data fra tidligere missioner, der spænder over årtier. De er flere gange så store som hele Jordens magnetfelt, som strækker sig titusindvis af miles ud i rummet - hvilket betyder, at disse strukturer kan komprimere Jordens magnetfelt på global skala, når de styrter ind i det.

"Når strukturer i solvinden når Jorden, de kan drive dynamik i Jordens magnetosfære, herunder partikeludfældning fra Jordens strålingsbælter, " sagde Nicholeen Viall, en rumforsker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, der præsenterede nye fund om solvindstrukturer fra Parker Solar Probe på AGU-mødet. Partikeludfældning kan forårsage en række effekter, som at sætte nordlyset i gang og forstyrre satellitter.

Tæt på solen, Parker Solar Probe foretog bedre end nogensinde målinger af disse solvindstrukturer, bruger begge billedapparater til at tage billeder langvejs fra og in situ-instrumenter til at måle strukturerne, når de passerer over rumfartøjet. For at få et mere komplet billede af disse solvindstrukturer, Viall gik et skridt videre, ved at kombinere observationer fra Parker, satellitter nær Jorden, og NASAs STEREO-A rumfartøj til at undersøge disse strukturer fra flere vinkler.

STEREO-A bærer et instrument kaldet en coronagraph, som bruger en solid disk til at blokere Solens skarpe lys, lader kameraet tage billeder af den relativt svage ydre atmosfære, coronaen. Fra sit udsigtspunkt omkring 90 grader væk fra Jorden, STEREO-A kunne se de områder af koronaen, som Parker fløj igennem - hvilket gjorde det muligt for Viall at kombinere målingerne på en ny måde og få et bedre overblik over solvindstrukturer, når de strømmede ud fra Solen. Ved siden af ​​Parker Solar Probes billeder, forskere har nu et bedre overblik over magnetiske forstyrrelser i solvinden.

Parkers instrumenter kaster også nyt lys over de usynlige processer i solvinden, afslører et overraskende aktivt system nær Solen.

"Vi tænker på solvinden - som vi ser den nær Jorden - som meget jævn, men Parker så overraskende langsom vind, fuld af små udbrud og stråler af plasma, " sagde Tim Horbury, en ledende forsker på Parker Solar Probes FIELDS-instrumenter baseret på Imperial College London.

Horbury brugte data fra Parker Solar Probes FIELDS-instrumenter – som måler skalaen og formen af ​​elektriske og magnetiske felter nær rumfartøjet – til i detaljer at undersøge en særlig mærkelig hændelse:magnetiske "switchbacks", "pludselige klynger af begivenheder, når solens magnetfelt bøjer tilbage på sig selv, først beskrevet med Parker Solar Probes første resultater den 4. december, 2019.

Den nøjagtige oprindelse af switchbacks er ikke sikker, men de kan være signaturer af den proces, der opvarmer Solens ydre atmosfære, coronaen, til millioner af grader, hundredvis af gange varmere end den synlige overflade nedenfor. Årsagen til dette kontraintuitive spring i temperatur er et mangeårigt spørgsmål inden for solvidenskab - omtalt som koronal opvarmningsmysteriet - og er tæt forbundet med spørgsmål om, hvordan solvinden får energi og accelererer.

"Vi tror, ​​at switchbacks sandsynligvis er relateret til individuelle energifrigivelser på Solen - det vi kalder jetfly, " sagde Horbury. "Hvis disse er jetfly, der skal en meget stor population af små begivenheder, der sker på Solen, så de ville bidrage med en stor del af solvindens samlede energi."

Et kig ind i solstorme

Sammen med solvinden, Solen frigiver også diskrete skyer af materiale kaldet koronale masseudstødninger, eller CME'er. Tættere og nogle gange hurtigere end solvinden, CME'er kan også udløse rumvejreffekter på Jorden, eller forårsage problemer for satellitter på deres vej.

CME'er er notorisk svære at forudsige. Nogle af dem er simpelthen ikke synlige fra Jorden eller fra STEREO-A - de to positioner, hvor vi har instrumenter, der er i stand til at se CME'er på afstand - fordi de bryder ud fra dele af Solen uden for begge rumfartøjers syn. Selv når de opdages af instrumenter, det er ikke altid muligt at forudsige, hvilke CME'er der vil forstyrre Jordens magnetfelt og udløse rumvejreffekter, da den magnetiske struktur i materialeskyen spiller en afgørende rolle.

Vores bedste skud på at forstå de magnetiske egenskaber af enhver given CME er afhængig af at lokalisere området på Solen, hvorfra CME eksploderede - hvilket betyder, at en type udbrud kaldet en stealth CME udgør en unik udfordring for rumvejrssultere.

Stealth CME'er er synlige i koronagrafier - instrumenter, der kun ser på Solens ydre atmosfære - men efterlader ikke klare signaturer af deres udbrud i billeder af Solens skive, gør det svært at finde ud af hvorfra, Nemlig, de løftede sig.

Men under Parker Solar Probes første solar flyby i november 2018, rumfartøjet blev ramt af en af ​​disse stealth CME'er.

"At flyve tæt på solen, Parker Solar Probe har en unik chance for at se unge CME'er, der ikke er blevet behandlet efter at have rejst titusinder af miles, " sagde Kelly Korreck, leder af videnskabelige operationer for Parkers SWEAP-instrumenter, baseret på Smithsonian Astrophysical Observatory i Cambridge, Massachusetts. "Dette var første gang, vi var i stand til at stikke vores instrumenter inde i et af disse koronale masseudkast tæt på Solen."

I særdeleshed, Korreck brugte data fra Parkers FIELDS- og SWEAP-instrumenter til at få et øjebliksbillede af den interne struktur i CME. FEJ, missionens solblæseinstrumenter, måler karakteristika som hastighed, temperatur, og elektron- og protontætheder i solvinden. Disse målinger giver ikke kun et af de første kig inde i en CME så tæt på Solen, men de kan hjælpe videnskabsmænd med at lære at spore stealth CME'er tilbage til deres kilder.

En anden type solstorm består af ekstremt energiske partikler, der bevæger sig tæt på lysets hastighed. Selvom det ofte er relateret til CME-udbrud, disse partikler er underlagt deres egne accelerationsprocesser - og de bevæger sig meget hurtigere end CME'er, når Jorden og rumfartøjet på få minutter. Disse partikler kan beskadige satellitelektronik og bringe astronauter i fare, men deres hastighed gør dem sværere at undgå end mange andre typer rumvejr.

Disse udbrud af partikler ofte, men ikke altid, ledsage andre solarrangementer som flares og CME'er, men det er svært at forudsige, hvornår de dukker op. Før partikler når de nærlyshastigheder, der gør dem farlige for rumfartøjer, elektronik og astronauter, de gennemgår en flertrins energiiseringsproces – men det første trin i denne proces, nær solen, ikke var blevet observeret direkte.

Da Parker Solar Probe rejste væk fra solen i april 2019, efter sit andet solmøde, rumfartøjet observerede den største endnu energiske partikelhændelse set af missionen. Målinger ved hjælp af energetiske partikelinstrumenter, ER?IS, har udfyldt et manglende led i processerne med partikelenergisering.

"Regionerne foran koronale masseudstødninger opbygger materiale, som sneplove i rummet, og det viser sig, at disse 'sneplove' også opbygger materiale fra tidligere frigivne soludbrud, " sagde Nathan Schwadron, en rumforsker ved University of New Hampshire i Durham.

At forstå, hvordan soludbrud skaber populationer af frøpartikler, der nærer energiske partikelhændelser, vil hjælpe forskerne med bedre at forudsige, hvornår sådanne hændelser kan ske, sammen med forbedring af modeller for, hvordan de bevæger sig gennem rummet.

Asteroide fingeraftryk

Parker Solar Probes WISPR-instrumenter er designet til at tage detaljerede billeder af den svage korona og solvind, men de fandt også en anden svær at se struktur:en 60, 000 kilometer bred støvsti efter kredsløbet om asteroiden Phaethon, som skabte Geminidernes meteorregn. I 2019, Geminidernes meteorregn topper natten mellem 13. og 14. december.

Dette spor af støvkorn peber jordens atmosfære, når vores planet krydser Phaethons bane hver december, brænde op og producere det spektakulære show, vi kalder Geminiderne. Selvom videnskabsmænd længe har vidst, at Phaethon er forælderen til Geminiderne, at se selve støvsporet har ikke været muligt indtil nu. Ekstremt svag og meget tæt på solen på himlen, det er aldrig blevet opfanget af noget tidligere teleskop, trods flere forsøg - men WISPR er designet til at se svage strukturer nær Solen. WISPRs første direkte visning af støvstien nogensinde har givet ny information om dens egenskaber.

"Vi beregner en masse i størrelsesordenen en milliard tons for hele stien, hvilket ikke er så meget, som vi ville forvente for Geminiderne, men meget mere end Phaethon producerer nær Solen, sagde Karl Battams, en rumforsker ved U.S. Naval Research Lab i Washington, D.C. "Dette antyder, at WISPR kun ser en del af Geminid-strømmen - ikke hele sagen - men det er en del, som ingen nogensinde havde set eller endda vidste var der, så det er meget spændende!"

Med tre baner under bæltet, Parker Solar Probe vil fortsætte sin udforskning af Solen i løbet af 21 gradvist tættere forbiflyvninger. Den næste baneændring vil ske under Venus forbiflyvningen den 26. december, bringer Parker til omkring 11,6 millioner miles fra Solens overflade for sin næste tætte tilgang til Solen den 29. januar, 2020. Med direkte målinger af dette aldrig før målte miljø – tættere på Solen end nogensinde før – kan vi forvente at lære endnu mere om disse fænomener og afdække helt nye spørgsmål.