NASA udforsker solvind med nyt syn på små solstrukturer

Forskere har kombineret NASA-data og banebrydende billedbehandling for at få ny indsigt i de solstrukturer, der skaber Solens strøm af højhastighedssolvind, detaljeret i ny forskning offentliggjort i dag i The Astrophysical Journal. Dette første kig på relativt små funktioner, døbt "plumelets, " kunne hjælpe videnskabsmænd med at forstå, hvordan og hvorfor forstyrrelser dannes i solvinden.

Solens magnetiske indflydelse strækker sig milliarder af miles, langt forbi Plutos kredsløb og planeterne, defineret af en drivkraft:solvinden. Denne konstante udstrømning af solmateriale fører Solens magnetfelt ud i rummet, hvor det former miljøerne omkring Jorden, andre verdener, og i det dybe rum. Ændringer i solvinden kan skabe rumvejreffekter, som ikke kun påvirker planeterne, men også menneskelige og robotudforskere i hele solsystemet – og dette arbejde tyder på, at relativt små, tidligere uudforskede træk tæt på Solens overflade kan spille en afgørende rolle for solvindens egenskaber.

"Dette viser vigtigheden af ​​småskala strukturer og processer på Solen for at forstå det store solvind- og rumvejrsystem, " sagde Vadim Uritsky, en solforsker ved det katolske universitet i Amerika og NASAs Goddard Space Flight Center, der ledede undersøgelsen.

Som alt solmateriale, som består af en type ioniseret gas kaldet plasma, solvinden styres af magnetiske kræfter. Og de magnetiske kræfter i Solens atmosfære er særligt komplekse:Solens overflade er trådt igennem med en konstant skiftende kombination af lukkede magnetfeltsløjfer og åbne magnetfeltlinjer, der strækker sig ud i solsystemet.

Det er langs disse åbne magnetfeltlinjer, at solvinden flygter fra Solen ud i rummet. Områder med åbent magnetfelt på Solen kan skabe koronale huller, pletter med relativt lav tæthed, der fremstår som mørke pletter i visse ultraviolette solbilleder. Tit, indlejret i disse koronale huller er gejsere af solmateriale, der strømmer ud fra Solen i dagevis ad gangen, kaldet faner. Disse solfaner fremstår lyse i ekstreme ultraviolette udsigter af Solen, gør dem let synlige for observatorier som NASAs Solar Dynamics Observatory-satellit og andre rumfartøjer og instrumenter. Som områder med særligt tæt solmateriale i åbent magnetfelt, faner spiller en stor rolle i at skabe højhastighedssolvinden - hvilket betyder, at deres egenskaber kan forme egenskaberne ved selve solvinden.

Ved at bruge højopløselige observationer fra NASAs Solar Dynamics Observatory-satellit, eller SDO, sammen med en billedbehandlingsteknik udviklet til dette arbejde, Uritsky og samarbejdspartnere fandt ud af, at disse faner faktisk består af meget mindre materialestrenge, som de kalder plumelets. Mens hele fanen strækker sig ud over omkring 70, 000 miles i SDO's billeder, bredden af ​​hver plumelet-streng er kun et par tusinde miles på tværs, lige fra omkring 2, 300 miles på det mindste til omkring 4, 500 miles i bredden for de bredeste plumelets observeret.

Selvom tidligere arbejde har antydet struktur inden for solfaner, det er første gang, videnskabsmænd har observeret plumelets i skarpt fokus. De anvendte teknikker til at behandle billederne reducerede "støjen" i solbillederne, skabe en skarpere visning, der afslørede plumelets og deres subtile ændringer i klare detaljer.

Deres arbejde, fokuseret på en solfane observeret den 2.-3. juli, 2016, viser, at fanens lysstyrke næsten udelukkende kommer fra de enkelte faner, uden meget ekstra fuzz mellem strukturer. Dette tyder på, at plumelets er mere end blot en funktion i det større system af en fane, men derimod byggestenene, som fanerne er lavet af.

"Folk har set struktur i og ved bunden af ​​faner i et stykke tid, " sagde Judy Karpen, en af ​​forfatterne til undersøgelsen og leder af Space Weather Laboratory i Heliophysics Science Division ved NASA Goddard. "Men vi har fundet ud af, at selve fanen er et bundt af disse tættere, strømmende plumeletter, hvilket er meget anderledes end det billede af faner, vi havde før."

De fandt også ud af, at plumelets bevæger sig individuelt, hver svinger for sig selv - hvilket tyder på, at disse strukturers opførsel i lille skala kan være en væsentlig drivkraft bag forstyrrelser i solvinden, ud over deres kollektiv, storstilet adfærd.

Søger efter plumelet-signaturer

De processer, der skaber solvinden, efterlader ofte signaturer i selve solvinden - ændringer i vindens hastighed, sammensætning, temperatur, og magnetfelt, der kan give spor om den underliggende fysik på Solen. Solfanger kan også efterlade sådanne fingeraftryk, afsløre mere om deres nøjagtige rolle i solvindens skabelse, selvom det kan være sin egen komplekse udfordring at finde og fortolke dem.

En nøglekilde til data vil være NASAs Parker Solar Probe, som er fløjet tættere på Solen end noget andet rumfartøj – og når afstande så tæt som 4 millioner miles fra soloverfladen ved afslutningen af ​​sin mission – fanger højopløselige målinger af solvinden, når den svinger af Solen med få måneders mellemrum. dens observationer, tættere på Solen og mere detaljerede end dem fra tidligere missioner, kunne afsløre plumelet-signaturer.

Faktisk, et af Parker Solar Probes tidlige og uventede fund kan være forbundet med plumelets. Under sin første forbiflyvning af solenergi i november 2018, Parker Solar Probe observerede pludselige vendinger i solens magnetfeltretning, kaldet "switchbacks". Årsagen og den nøjagtige karakter af switchbacks er stadig et mysterium for videnskabsmænd, men småskala strukturer som plumelets kunne producere lignende signaturer.

At finde signaturer af plumelets i selve solvinden afhænger også af, hvor godt disse fingeraftryk overlever deres rejse væk fra Solen - eller om de ville blive udtværet et eller andet sted langs de millioner af miles, de rejser fra Solen til vores observatorier i rummet.

Evaluering af dette spørgsmål vil stole på fjernobservatorier, ligesom ESA og NASA's Solar Orbiter, som allerede har taget de nærmeste billeder af Solen nogensinde, inklusive en detaljeret visning af soloverfladen - billeder, der kun vil blive bedre, når rumfartøjet kommer tættere på Solen. NASAs kommende PUNCH-mission - ledet af Craig DeForest, en af ​​forfatterne på plumelets-undersøgelsen - vil studere, hvordan Solens atmosfære går over til solvinden og kan også give svar på dette spørgsmål.

"PUNCH vil direkte observere, hvordan solens atmosfære går over til solvinden, " sagde Uritsky. "Dette vil hjælpe os med at forstå, om plumelets kan overleve, når de forplanter sig væk fra Solen - hvis de faktisk kan injiceres i solvinden."