Mysteriet om langsom solvind afsløret af Solar Orbiter-missionen

Forskere er kommet et skridt tættere på at identificere den "langsomme" solvinds mystiske oprindelse ved hjælp af data indsamlet under Solar Orbiter-rumfartøjets første tætte rejse til solen.

Solvind, som kan rejse med hundredvis af kilometer i sekundet, har fascineret forskere i årevis, og ny forskning offentliggjort i Nature Astronomy , kaster endelig lys over, hvordan det dannes.

Solvind beskriver den kontinuerlige udstrømning af ladede plasmapartikler fra solen til rummet – med vind, der rejser med over 500 km i sekundet kendt som 'hurtig' og under 500 km i sekundet beskrevet som "langsom."

Når denne vind rammer Jordens atmosfære, kan det resultere i det fantastiske nordlys, vi kender som nordlys. Men når større mængder plasma frigives, i form af en koronal masseudslyngning, kan det også være farligt og forårsage betydelig skade på satellitter og kommunikationssystemer.

På trods af årtiers observationer er kilderne og mekanismerne, der frigiver, accelererer og transporterer solvindplasma væk fra solen og ind i vores solsystem, ikke godt forstået – især den langsomme solvind.

I 2020 lancerede European Space Agency (ESA) med støtte fra NASA Solar Orbiter-missionen. Ud over at tage de nærmeste og mest detaljerede billeder af solen, der nogensinde er taget, er et af missionens hovedformål at måle og forbinde solvinden tilbage til dens oprindelsesområde på solens overflade.

Beskrevet som "det mest komplekse videnskabelige laboratorium, der nogensinde er blevet sendt til solen," er der ti forskellige videnskabelige instrumenter ombord på Solar Orbiter - nogle in situ til at indsamle og analysere prøver af solvinden, når den passerer rumfartøjet, og anden fjernmåling instrumenter designet til at tage billeder af høj kvalitet af aktivitet på solens overflade.

Ved at kombinere fotografiske og instrumentelle data har forskerne for første gang været i stand til tydeligere at identificere, hvor den langsomme solvind stammer fra. Dette har hjulpet dem med at fastslå, hvordan den er i stand til at forlade solen og begynde sin rejse ind i heliosfæren – den gigantiske boble omkring solen og dens planeter, som beskytter vores solsystem mod interstellar stråling.

Dr. Steph Yardley fra Northumbria University, Newcastle upon Tyne, ledede forskningen og forklarer, "Variabiliteten af ​​solvindstrømme målt in situ ved et rumfartøj tæt på solen giver os en masse information om deres kilder, og selvom tidligere undersøgelser har sporet oprindelsen af ​​solvinden, blev dette gjort meget tættere på Jorden, på hvilket tidspunkt denne variabilitet er tabt.

"Fordi Solar Orbiter rejser så tæt på solen, kan vi fange solvindens komplekse natur for at få et meget klarere billede af dens oprindelse, og hvordan denne kompleksitet er drevet af ændringerne i forskellige kildeområder."

Forskellen mellem hastigheden af ​​den hurtige og langsomme solvind menes at skyldes de forskellige områder af solens korona, det yderste lag af dens atmosfære, som de stammer fra.

Den åbne korona refererer til områder, hvor magnetfeltlinjer kun forankrer til solen i den ene ende og strækker sig ud i rummet i den anden, hvilket skaber en motorvej for solmateriale til at undslippe ud i rummet. Disse områder er køligere og menes at være kilden til den hurtige solvind.

I mellemtiden refererer den lukkede korona til områder af solen, hvor dens magnetiske feltlinjer er lukkede - hvilket betyder, at de er forbundet med soloverfladen i begge ender. Disse kan ses som store lyse sløjfer, der dannes over magnetisk aktive områder.

Lejlighedsvis vil disse lukkede magnetiske sløjfer bryde, hvilket giver en kort mulighed for solmateriale til at undslippe, på samme måde som det gør gennem åbne magnetfeltlinjer, før de igen forbindes og danner en lukket sløjfe igen. Dette foregår generelt i områder, hvor den åbne og lukkede corona mødes.

Et af formålene med Solar Orbiter er at teste en teori om, at den langsomme solvind stammer fra den lukkede korona og er i stand til at flygte ud i rummet gennem denne proces, hvor magnetiske feltlinjer brydes og genforbindes.

En måde, hvorpå det videnskabelige hold var i stand til at teste denne teori, var ved at måle "sammensætningen" eller sammensætningen af ​​solvindstrømme.

Kombinationen af ​​tunge ioner indeholdt i solmateriale er forskellig afhængigt af, hvor det stammer fra; jo varmere, lukket versus køligere, åben corona.

Ved hjælp af instrumenterne ombord på Solar Orbiter var holdet i stand til at analysere den aktivitet, der fandt sted på solens overflade, og derefter matche denne med solvindstrømmene indsamlet af rumfartøjet.

Ved at bruge billederne af solens overflade optaget af Solar Orbiter var de i stand til at lokalisere, at de langsomme vindstrømme var kommet fra et område, hvor den åbne og lukkede korona mødtes, hvilket beviser teorien om, at den langsomme vind er i stand til at undslippe lukkede magnetfeltlinjer gennem processen med at bryde og genoprette forbindelsen.

Som Dr. Yardley, fra Northumbria University's Solar and Space Physics forskningsgruppe, forklarer:"Den varierende sammensætning af solvinden målt ved Solar Orbiter var i overensstemmelse med ændringen i sammensætning på tværs af kilderne i koronaen.

"Ændringerne i sammensætningen af ​​de tunge ioner sammen med elektronerne giver stærke beviser for, at variabiliteten ikke kun er drevet af de forskellige kilderegioner, men det skyldes også genforbindelsesprocesser, der forekommer mellem de lukkede og åbne sløjfer i koronaen."

ESA Solar Orbiter-missionen er et internationalt samarbejde, hvor forskere og institutioner fra hele verden arbejder sammen og bidrager med specialistfærdigheder og udstyr.

Daniel Müller, ESA Project Scientist for Solar Orbiter, sagde:"Fra begyndelsen har et centralt mål for Solar Orbiter-missionen været at forbinde dynamiske begivenheder på solen med deres indvirkning på den omgivende plasmaboble i heliosfæren."

"For at opnå dette er vi nødt til at kombinere fjernobservationer af solen med in-situ målinger af solvinden, når den flyder forbi rumfartøjet. Jeg er enormt stolt af hele holdet for at foretage disse komplekse målinger med succes.

"Dette resultat bekræfter, at Solar Orbiter er i stand til at lave robuste forbindelser mellem solvinden og dens kildeområder på soloverfladen. Dette var et nøglemål for missionen og åbner vejen for, at vi kan studere solvindens oprindelse i hidtil usete detaljer. "

Blandt instrumenterne ombord på Solar Orbiter er Heavy Ion Sensor (HIS), udviklet til dels af forskere og ingeniører fra University of Michigans Space Physics Research Laboratory i afdelingen for Climate and Space Sciences and Engineering. Sensoren er designet til at måle tunge ioner i solvinden, som kan bruges til at bestemme, hvor solvinden kom fra.

"Hvert område af solen kan have en unik kombination af tunge ioner, som bestemmer den kemiske sammensætning af en strøm af solvind.

"Fordi den kemiske sammensætning af solvinden forbliver konstant, når den rejser ud i solsystemet, kan vi bruge disse ioner som et fingeraftryk til at bestemme oprindelsen af ​​en bestemt strøm af solvinden i den nederste del af solens atmosfære." sagde Susan Lepri, professor i klima- og rumvidenskab og teknik ved University of Michigan og vice-hovedforsker af Heavy Ion Sensor.

Elektronerne i solvinden måles af et Electron Analyzer System (EAS), udviklet af UCL's Mullard Space Science Laboratory, hvor Dr. Yardley er en honorary fellow.

Professor Christopher Owen fra UCL sagde:"Instrumentholdene brugte mere end et årti på at designe, bygge og forberede deres sensorer til opsendelse, samt planlægge, hvordan de bedst kunne betjenes på en koordineret måde. Så det er meget glædeligt nu at se dataene bliver sat sammen for at afsløre, hvilke områder af solen der driver den langsomme solvind og dens variation."

Proton-Alpha Sensor (PAS), som måler vindhastigheden, er designet og udviklet af Paul Sabatier Universitys Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie i Toulouse, Frankrig.

Tilsammen udgør disse instrumenter Solar Wind Analyzer-sensorpakken ombord på Solar Orbiter, som UCLs professor Owen er hovedforsker for.

I forbindelse med fremtidige forskningsplaner sagde Dr. Yardley:"Indtil videre har vi kun analyseret Solar Orbiter-data på denne måde for dette særlige interval. Det vil være meget interessant at se på andre sager, der bruger Solar Orbiter og også at foretage en sammenligning med datasæt fra andre tætte missioner såsom NASA's Parker Solar Probe."