Voor het eerst in de geschiedenis heeft een ruimtevaartuig de zon aangeraakt. NASA's Parker Solar Probe is nu door de bovenste atmosfeer van de zon - de corona - gevlogen en heeft daar monsters genomen van deeltjes en magnetische velden. De nieuwe mijlpaal betekent een grote stap voor Parker Solar Probe en een grote sprong voorwaarts voor de zonnewetenschap. Net zoals de landing op de maan wetenschappers in staat stelde te begrijpen hoe de maan is gevormd, zal het aanraken van het materiaal waarvan de zon is gemaakt wetenschappers helpen cruciale informatie te ontdekken over onze naaste ster en haar invloed op het zonnestelsel.
"Parker Solar Probe die de zon aanraakt, is een monumentaal moment voor de zonnewetenschap en een opmerkelijke prestatie," zegt Thomas Zurbuchen, de administrateur voor het Science Mission Directorate op het NASA-hoofdkwartier in Washington. "Deze mijlpaal geeft ons niet alleen meer inzicht in de evolutie van onze zon en de invloed ervan op ons zonnestelsel, maar alles wat we leren over onze eigen ster leert ons ook meer over sterren in de rest van het universum." Terwijl het dichter bij het zonneoppervlak cirkelt, doet Parker nieuwe ontdekkingen die andere ruimtevaartuigen te ver weg waren om te zien, waaronder van binnenuit de zonnewind, de stroom van deeltjes van de zon die ons op aarde kan beïnvloeden. In 2019 ontdekte Parker dat magnetische zigzagstructuren in de zonnewind, ook wel 'switchbacks' genoemd, talrijk zijn dicht bij de zon. Maar hoe en waar ze zich vormen, bleef een mysterie. Parker Solar Probe heeft sindsdien de afstand tot de zon gehalveerd en is nu dicht genoeg bij de zon geweest om één plaats te identificeren waar ze ontstaan: het zonneoppervlak.
De eerste passage door de corona - en de belofte dat er nog meer vluchten zullen volgen - zal gegevens blijven opleveren over verschijnselen die onmogelijk van veraf kunnen worden bestudeerd. "Door zo dicht bij de zon te vliegen, kan Parker Solar Probe nu omstandigheden in de magnetisch gedomineerde laag van de zonneatmosfeer, de corona, waarnemen die we nooit eerder konden waarnemen," zegt Nour Raouafi, de Parker-projectwetenschapper aan het Johns Hopkins Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland. "We zien bewijs dat we ons in de corona bevinden in magnetische veldgegevens, zonnewind gegevens en visueel in beelden. We kunnen de ruimtesonde door coronale structuren zien vliegen die kunnen worden waargenomen tijdens een totale zonsverduistering."
Dichterbij dan ooit tevoren
Parker Solar Probe werd in 2018 gelanceerd om de mysteries van de zon te onderzoeken door er dichter bij te reizen dan welk ruimtevaartuig ook. Drie jaar na de lancering en tientallen jaren na het ontwerp van de missie, is Parker eindelijk aangekomen. Anders dan de aarde heeft de zon geen vast oppervlak. Maar hij heeft wel een oververhitte atmosfeer, gemaakt van zonnemateriaal dat door zwaartekracht en magnetische krachten aan de zon is gebonden. Door de toenemende hitte en druk wordt dat materiaal van de zon weggeduwd, en bereikt het een punt waar de zwaartekracht en de magnetische velden te zwak zijn om het te bevatten.
Dat punt, dat bekend staat als het kritieke Alfvén-oppervlak, markeert het einde van de zonneatmosfeer en het begin van de zonnewind. Zonnemateriaal dat de energie heeft om over die grens te komen, wordt de zonnewind, die het magnetisch veld van de zon meesleurt als hij door het zonnestelsel raast, naar de aarde en verder. Belangrijk is dat voorbij het kritieke Alfvén-oppervlak de zonnewind zo snel beweegt dat golven in de wind nooit snel genoeg kunnen reizen om terug te keren naar de zon, waardoor hun verbinding wordt verbroken. Tot nu toe wisten onderzoekers niet precies waar het kritieke Alfvén-oppervlak lag. Op basis van beelden van de corona op afstand werd het ergens tussen 10 en 20 zonnestralen van het oppervlak van de zon geschat, 4,3 tot 8,6 miljoen mijl. De spiraalvormige baan van Parker brengt het langzaam dichter bij de zon en tijdens de laatste paar passages was het ruimtevaartuig constant onder de 20 zonnestralies (91 procent van de afstand van de aarde tot de zon), waardoor het in de positie is om de grens over te steken - als de schattingen juist waren.
Op 28 april 2021, tijdens zijn achtste flyby van de zon, stuitte Parker Solar Probe op de specifieke magnetische en deeltjesomstandigheden op 18,8 zonnestraal (ongeveer 8,1 miljoen mijl) boven het zonneoppervlak die wetenschappers vertelden dat het voor het eerst het Alfvén-kritieke oppervlak had overschreden en eindelijk de zonneatmosfeer was binnengegaan. "We verwachtten dat we vroeg of laat de corona zouden tegenkomen, tenminste voor een korte periode," zegt Justin Kasper, hoofdauteur van een nieuw artikel over de mijlpaal, gepubliceerd in Physical Review Letters, en plaatsvervangend chief technology officer bij BWX Technologies, Inc. en professor aan de Universiteit van Michigan. "Maar het is heel opwindend dat we het nu al bereikt hebben."
In het oog van de storm
Tijdens de flyby is de Parker Solar Probe verschillende keren in en uit de corona gegaan. Dit bewees wat sommigen hadden voorspeld - dat het Alfvén-kritische oppervlak niet de vorm heeft van een gladde bal. Integendeel, het heeft pieken en dalen die het oppervlak rimpelen. Door te ontdekken waar deze uitsteeksels zich bevinden en waar zonneactiviteit van het oppervlak vandaan komt, kunnen wetenschappers leren hoe gebeurtenissen op de zon de atmosfeer en de zonnewind beïnvloeden. Op een bepaald moment, toen Parker Solar Probe tot net onder de 15 zonnestralen (ongeveer 6,5 miljoen mijl) van het oppervlak van de zon dook, passeerde het een kenmerk in de corona dat een pseudostreamer wordt genoemd. Pseudostreamers zijn massieve structuren die boven het oppervlak van de zon uitsteken en die vanaf de aarde te zien zijn tijdens zonsverduisteringen.
Het passeren van de pseudostreamer was alsof je in het oog van een storm vloog. In de pseudostreamer werden de omstandigheden rustiger, de deeltjes trager en het aantal terugschakelingen minder - een dramatische verandering ten opzichte van het drukke spervuur van deeltjes dat het ruimtevaartuig gewoonlijk in de zonnewind tegenkomt. Voor de eerste keer bevond het ruimtevaartuig zich in een gebied waar de magnetische velden sterk genoeg waren om de beweging van de deeltjes daar te domineren. Deze omstandigheden waren het definitieve bewijs dat het ruimtevaartuig het kritische Alfvén-oppervlak was gepasseerd en de zonneatmosfeer was binnengegaan, waar magnetische velden de beweging van alles in de regio bepalen.
De eerste passage door de corona, die slechts een paar uur duurde, is een van de vele die voor de missie zijn gepland. Parker zal in een spiraal dichter bij de zon blijven komen, uiteindelijk tot op 8,86 zonnestralen (3,83 miljoen mijl) van het oppervlak. Komende flybys, waarvan de volgende plaatsvindt in januari 2022, zal Parker Solar Probe waarschijnlijk weer door de corona brengen. "Ik ben enthousiast om te zien wat Parker vindt als het de komende jaren herhaaldelijk door de corona gaat," zei Nicola Fox, divisiedirecteur voor de divisie Heliofysica op het NASA-hoofdkwartier. "De kans op nieuwe ontdekkingen is grenzeloos."
De grootte van de corona wordt ook bepaald door de zonneactiviteit. Naarmate de 11-jarige activiteitscyclus van de zon - de zonnecyclus - toeneemt, zal de buitenste rand van de corona groter worden, waardoor Parker Solar Probe een grotere kans heeft om langere tijd in de corona te zijn. "Het is een heel belangrijk gebied om in te komen, omdat we denken dat allerlei natuurkundige zaken mogelijk kunnen worden," zei Kasper. "En nu komen we in dat gebied en hopelijk gaan we een aantal van deze fysica en gedragingen zien."
De oorsprong van de terugslag vaststellen
Nog voor de eerste uitstapjes door de corona kwamen er al verrassende fysische ontdekkingen aan het licht. Tijdens recente ontmoetingen met de zon heeft de Parker Solar Probe gegevens verzameld over de oorsprong van zigzag-vormige structuren in de zonnewind, de zogenaamde switchbacks. De gegevens toonden aan dat één plek waar switchbacks ontstaan zich aan het zichtbare oppervlak van de zon bevindt - de fotosfeer. Tegen de tijd dat hij de aarde bereikt, op een afstand van 93 miljoen mijl, is de zonnewind een niet aflatende tegenwind van deeltjes en magnetische velden. Maar als hij aan de zon ontsnapt, is de zonnewind gestructureerd en onregelmatig. Halverwege de jaren negentig vloog de Ulysses-missie van de NASA en de Europese ruimtevaartorganisatie over de polen van de zon en ontdekte een handvol bizarre S-vormige knikken in de magnetische veldlijnen van de zonnewind, die geladen deeltjes op een zigzag-pad omleiden terwijl ze aan de zon ontsnappen. Decennialang dachten wetenschappers dat deze af en toe voorkomende omkeringen alleen in de poolstreken van de zon voorkwamen.
In 2019, op 34 zonnestralen van de zon, ontdekte Parker dat switchbacks niet zeldzaam zijn, maar veel voorkomen in de zonnewind. Dit hernieuwde de belangstelling voor de kenmerken en riep nieuwe vragen op: Waar kwamen ze vandaan? Werden ze aan het oppervlak van de zon gesmeed, of werden ze gevormd door een proces waarbij magnetische velden in de zonneatmosfeer werden geknikt? De nieuwe bevindingen, die zijn gepubliceerd in het Astrophysical Journal, bevestigen eindelijk dat de oorsprong in de buurt van het zonneoppervlak ligt. De aanwijzingen kwamen toen Parker tijdens zijn zesde flyby dichter bij de zon kwam, op minder dan 25 zonnestralen afstand. Uit de gegevens bleek dat de wisselruggen in flarden voorkomen en een hoger percentage helium bevatten - waarvan bekend is dat het uit de fotosfeer komt - dan andere elementen. De oorsprong van de wisselruggen werd verder beperkt toen de wetenschappers ontdekten dat de vlekken samenvielen met magnetische trechters die uit de fotosfeer komen tussen convectiecelstructuren die supergranules worden genoemd. De wetenschappers denken dat de magnetische trechters niet alleen de geboorteplaats van de switchbacks zijn, maar ook de plaats waar een component van de zonnewind ontstaat. De zonnewind bestaat in twee verschillende varianten - snel en traag - en de trechters zouden de plaats kunnen zijn waar sommige deeltjes in de snelle zonnewind vandaan komen.
"De structuur van de regio's met terugschakelingen komt overeen met een kleine magnetische trechterstructuur aan de basis van de corona," zegt Stuart Bale, professor aan de Universiteit van Californië, Berkeley, en hoofdauteur van het nieuwe terugschakelingsartikel. "Dit is wat we verwachten van sommige theorieën, en dit wijst op een bron voor de zonnewind zelf." Als wetenschappers begrijpen waar en hoe de componenten van de snelle zonnewind ontstaan, en of ze in verband staan met switchbacks, kan dat helpen om een lang bestaand zonnewindmysterie te beantwoorden: hoe de corona wordt verhit tot miljoenen graden, veel heter dan het zonneoppervlak eronder.
Hoewel de nieuwe ontdekkingen hebben uitgewezen waar de wisselbogen worden gemaakt, kunnen de wetenschappers nog niet bevestigen hoe ze worden gevormd. Volgens één theorie ontstaan ze door golven van plasma die door het gebied rollen als branding van de oceaan. Een andere theorie stelt dat ze ontstaan door een explosief proces dat bekend staat als magnetische herverbinding, waarvan men denkt dat het plaatsvindt op de grenzen waar de magnetische trechters samenkomen. "Mijn gevoel zegt dat we, naarmate we dieper in de missie doordringen en steeds lager en dichter bij de zon komen, meer te weten zullen komen over hoe de magnetische trechters verbonden zijn met de wisselruggen," zei Bale. "En hopelijk lossen we dan de vraag op welk proces ze maakt."
Nu onderzoekers weten waar ze naar moeten zoeken, kunnen Parker's latere tochten nog meer aanwijzingen opleveren over de wisselwerking en andere zonneverschijnselen. De komende gegevens zullen wetenschappers een blik gunnen op een gebied dat van cruciaal belang is voor de oververhitting van de corona en het opdrijven van de zonnewind tot supersonische snelheden. Dergelijke metingen van de corona zullen van cruciaal belang zijn voor het begrijpen en voorspellen van extreem ruimteweer dat telecommunicatie kan verstoren en satellieten rond de aarde kan beschadigen. "Het is echt spannend om te zien hoe onze geavanceerde technologieën erin slagen om Parker Solar Probe dichter bij de zon te brengen dan we ooit zijn geweest, en om zulke verbazingwekkende wetenschap terug te brengen," zei Joseph Smith, Parker program executive op het NASA hoofdkwartier. "We kijken ernaar uit om te zien wat de missie nog meer ontdekt als ze de komende jaren nog dichterbij komt."
Parker Solar Probe is onderdeel van NASA's Living with a Star programma om aspecten van het Zon-Aarde systeem te onderzoeken die direct van invloed zijn op het leven en de samenleving. Het programma "Leven met een ster" wordt beheerd door het Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, voor het Science Mission Directorate van de NASA in Washington. Het Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland, beheert de Parker Solar Probe-missie voor de NASA en heeft het ruimtevaartuig ontworpen, gebouwd en in bedrijf.
Bron: NASA
