Solar Orbiter løser mysteriet om magnetisk tilbagekobling

Med data fra dens nærmeste passage af solen endnu, har ESA/NASA Solar Orbiter-rumfartøjet fundet overbevisende spor om oprindelsen af ​​magnetiske switchbacks og peger på, hvordan deres fysiske dannelsesmekanisme kan hjælpe med at accelerere solvinden.

Solar Orbiter har foretaget den første fjernmålingsobservation nogensinde i overensstemmelse med et magnetisk fænomen kaldet en solar switchback - pludselige og store afbøjninger af solvindens magnetfelt. Den nye observation giver et fuldt overblik over strukturen, hvilket i dette tilfælde bekræfter, at den har en S-formet karakter, som forudsagt. Desuden indikerer det globale perspektiv fra Solar Orbiter-dataene, at disse hurtigt skiftende magnetiske felter kan have deres oprindelse nær solens overflade.

Mens en række rumfartøjer har fløjet gennem disse forvirrende områder før, tillader in situ-data kun en måling på et enkelt tidspunkt og på et enkelt tidspunkt. Derfor skal strukturen og formen af ​​switchback udledes af plasma- og magnetfeltegenskaber målt på ét punkt.

Da de tysk-amerikanske Helios 1 og 2 rumfartøjer fløj tæt på solen i midten af ​​1970'erne, registrerede begge sonder pludselige vendinger af solens magnetfelt. Disse mystiske vendinger var altid pludselige og altid midlertidige og varede fra et par sekunder til et antal timer, før magnetfeltet skiftede tilbage til sin oprindelige retning.

Disse magnetiske strukturer blev også undersøgt i meget større afstande fra solen af ​​Ulysses-rumfartøjet i slutningen af ​​1990'erne. I stedet for en tredjedel af Jordens kredsløbsradius fra solen, hvor Helios-missionerne lavede deres nærmeste gennemløb, opererede Ulysses for det meste ud over Jordens kredsløb.

Deres antal steg dramatisk med ankomsten af ​​NASA's Parker Solar Probe i 2018. Dette indikerede klart, at de pludselige magnetfeltvendinger er flere tæt på solen, og førte til det antydede, at de var forårsaget af S-formede knæk i magnetfeltet . Denne forvirrende adfærd gav fænomenet navnet switchbacks. En række ideer blev foreslået til, hvordan disse kunne dannes.

Den 25. marts 2022 var Solar Orbiter kun en dag væk fra en tæt passage af solen - hvilket bragte den inden for planeten Merkurs kredsløb - og dens Metis-instrument tog data. Metis udelukker det lyse skær fra solens overflade og tager billeder af solens ydre atmosfære, kendt som koronaen. Partiklerne i koronaen er elektrisk ladede og følger solens magnetfeltlinjer ud i rummet. Selve de elektrisk ladede partikler kaldes et plasma.

Omkring 20:39 UT optog Metis et billede af solkoronaen, der viste en forvrænget S-formet knæk i koronalplasmaet. For Daniele Telloni, National Institute for Astrophysics – Astrophysical Observatory of Torino, Italien, lignede det mistænkeligt en solomskiftning.

Ved at sammenligne Metis-billedet, som var taget i synligt lys, med et samtidig billede taget af Solar Orbiters Extreme Ultraviolet Imager (EUI) instrument, så han, at kandidatomskiftningen fandt sted over en aktiv region, der er katalogiseret som AR 12972. Aktive områder er forbundet med solpletter og magnetisk aktivitet. Yderligere analyse af Metis-dataene viste, at plasmahastigheden over denne region var meget langsom, som man kunne forvente fra en aktiv region, der endnu ikke har frigivet sin lagrede energi.

Daniele mente med det samme, at dette lignede en genereringsmekanisme for de switchbacks, der blev foreslået af prof. Gary Zank, University of Alabama i Huntsville, USA. Teorien så på den måde, forskellige magnetiske områder nær solens overflade interagerer med hinanden.

Tæt på solen, og især over aktive områder, er der åbne og lukkede magnetfeltlinjer. De lukkede linjer er sløjfer af magnetisme, der buer op i solatmosfæren, før de buer rundt og forsvinder tilbage i solen. Meget lidt plasma kan undslippe ud i rummet over disse feltlinjer, og derfor har solvindens hastighed en tendens til at være langsom her. Åbne feltlinjer er det omvendte, de udgår fra solen og forbinder med det interplanetariske magnetfelt i solsystemet. De er magnetiske motorveje, langs hvilke plasmaet kan flyde frit og giver anledning til den hurtige solvind.

Daniele og Gary beviste, at switchbacks opstår, når der er en interaktion mellem et område med åbne feltlinjer og et område med lukkede feltlinjer. Efterhånden som feltlinjerne stimler sammen, kan de oprette forbindelse igen til mere stabile konfigurationer. Snarere som at knække en pisk frigiver dette energi og sætter en S-formet forstyrrelse ud i rummet, som et forbipasserende rumfartøj ville optage som en tilbagekobling.

Ifølge Gary Zank, som foreslog en af ​​teorierne for oprindelsen af ​​switchbacks:"Det første billede fra Metis, som Daniele viste, foreslog mig næsten øjeblikkeligt de tegneserier, som vi havde tegnet i udviklingen af ​​den matematiske model for en switchback. Selvfølgelig det første billede var kun et øjebliksbillede, og vi var nødt til at dæmpe vores entusiasme, indtil vi havde brugt den fremragende Metis-dækning til at udtrække tidsmæssig information og lave en mere detaljeret spektralanalyse af selve billederne. Resultaterne viste sig at være helt spektakulære."

Sammen med et hold af andre forskere byggede de en computermodel af adfærden og fandt ud af, at deres resultater lignede Metis-billedet, især efter at de inkluderede beregninger for, hvordan strukturen ville forlænges under dens udbredelse udad gennem solkoronaen. .

"Jeg vil sige, at dette første billede af en magnetisk switchback i solkoronaen har afsløret mysteriet om deres oprindelse," siger Daniele, hvis resultater er offentliggjort i et papir i The Astrophysical Journal Letters .

For at forstå switchbacks kan solfysikere også tage et skridt i retning af at forstå detaljerne i, hvordan solvinden accelereres og opvarmes væk fra solen. Dette skyldes, at når rumfartøjer flyver gennem switchbacks, registrerer de ofte en lokaliseret acceleration af solvinden.

"Det næste skridt er at forsøge statistisk at forbinde switchbacks observeret in situ med deres kildeområder på solen," siger Daniele. Med andre ord at få et rumfartøj til at flyve gennem den magnetiske vending og være i stand til at se, hvad der er sket på soloverfladen. Dette er præcis den slags forbindelsesvidenskab, som Solar Orbiter er designet til at udføre, men det betyder ikke nødvendigvis, at Solar Orbiter skal flyve gennem switchback. Det kunne være et andet rumfartøj, såsom Parker Solar Probe. Så længe in-situ-data og fjernmålingsdata er samtidige, kan Daniele udføre korrelationen.

"Det er præcis den slags resultat, vi håbede på med Solar Orbiter," siger Daniel Müller, ESA Project Scientist for Solar Orbiter. "For hver bane får vi flere data fra vores pakke med ti instrumenter. Baseret på resultater som dette vil vi finjustere de observationer, der er planlagt til Solar Orbiters næste solmøde for at forstå den måde, hvorpå solen forbinder sig med det bredere magnetiske felt. miljøet i solsystemet. Dette var Solar Orbiters allerførste tætte pas til solen, så vi forventer, at der kommer mange flere spændende resultater."

Solar Orbiters næste tætte passage af solen – igen inden for Merkurs kredsløb i en afstand på 0,29 gange afstanden mellem Jorden og solen – finder sted den 13. oktober. Tidligere denne måned, den 4. september, foretog Solar Orbiter en tyngdekraftsassistance ved Venus for at justere sin bane omkring solen; efterfølgende Venus forbiflyvninger vil begynde at øge hældningen af ​​rumfartøjets kredsløb for at få adgang til højere breddegrader - mere polære - områder af solen.

Et nærbillede af Solar Orbiter Metis-data forvandlet til en film viser udviklingen af ​​switchback. Sekvensen repræsenterer omkring 33 minutters data taget den 25. marts 2022. Den lyse struktur dannes, mens den forplanter sig udad fra solen. Efterhånden som den når sin fulde udvikling, bøjer den tilbage på sig selv og får den forvrængede S-form, der er karakteristisk for en magnetisk switchback. Strukturen udvider sig med en hastighed på 80 km/s, men hele strukturen bevæger sig ikke med denne hastighed. I stedet strækker det sig og forvrænger. Det er første gang, der nogensinde er blevet observeret en magnetisk tilbagekobling. Alle andre påvisninger har fundet sted, når rumfartøjer har fløjet gennem disse forstyrrede magnetiske områder. + Udforsk yderligere

Solar Orbiters billeder af solen er lige så dramatiske, som du håbede