ESA's Solar Orbiter ruimtevaartuig heeft cruciale gegevens geleverd om de decennialange vraag te beantwoorden waar de energie vandaan komt die de zonnewind verhit en versnelt. In samenwerking met NASA's Parker Solar Probe onthult Solar Orbiter dat de energie die nodig is om deze uitstroom aan te drijven afkomstig is van grote fluctuaties in het magnetische veld van de zon.
De zonnewind is een constante stroom geladen deeltjes die ontsnapt uit de zonneatmosfeer (de corona genoemd) om langs de aarde naar buiten te stromen. Het is de botsing van de zonnewind met de atmosfeer van onze planeet die het kleurrijke poollicht aan onze hemel veroorzaakt. De 'snelle' zonnewind beweegt zich voort met snelheden van meer dan 500 km/s, wat gelijk staat aan maar liefst 1,8 miljoen km/u. Vreemd genoeg verlaat deze wind de corona van de zon met lagere snelheden, dus iets versnelt hem als hij verder weg beweegt. De wind van een miljoen graden koelt natuurlijk af als hij uitzet in een groter volume en minder dicht wordt, net als de lucht op aarde als je een berg beklimt. En toch koelt hij langzamer af dan je alleen op basis van dit effect zou verwachten.
Wat levert dan de benodigde energie om de snelste delen van de zonnewind te versnellen en te verwarmen? Gegevens van ESA's Solar Orbiter en NASA's Parker Solar Probe hebben overtuigend bewijs geleverd dat het antwoord grootschalige oscillaties in het magnetische veld van de zon zijn, bekend als Alfvén-golven. “Vóór dit werk waren Alfvén-golven voorgesteld als een potentiële energiebron, maar we hadden geen definitief bewijs,” zegt co-hoofdauteur van het werk Yeimy Rivera van het Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian, Massachusetts.
In een gewoon gas, zoals de atmosfeer van de aarde, kunnen alleen geluidsgolven worden verzonden. Wanneer een gas echter wordt verhit tot buitengewone temperaturen, zoals in de atmosfeer van de zon, komt het in een geëlektriseerde toestand die plasma wordt genoemd en reageert het op magnetische velden. Hierdoor kunnen zich in het magnetische veld golven vormen die Alfvén-golven worden genoemd. Deze golven slaan energie op en kunnen deze efficiënt door een plasma transporteren. Een normaal gas drukt zijn opgeslagen energie uit in de vorm van dichtheid, temperatuur en snelheid. Bij een plasma slaat het magnetische veld echter ook energie op. Zowel Solar Orbiter als Parker Solar Probe bevatten de nodige instrumenten om de eigenschappen van het plasma te meten, waaronder het magnetische veld.
Hoewel de twee ruimtevaartuigen op verschillende afstanden van de zon en in zeer verschillende banen werken, kwamen de ruimtevaartuigen in februari 2022 toevallig op één lijn met dezelfde zonnewindstroom. Parker, die op 13,3 zonnestraal (ongeveer 9 miljoen km) van de zon aan de uiterste rand van de corona opereert, kruiste de stroom als eerste. Solar Orbiter, die opereert op 128 zonnestralii (89 miljoen km), passeerde de stroom een dag of twee later. “Dit werk was alleen mogelijk door de zeer speciale uitlijning van de twee ruimtevaartuigen die dezelfde zonnewindstroom in verschillende stadia van zijn reis vanaf de zon bemonsterden,” zegt Yeimy.
Het team maakte optimaal gebruik van deze zeldzame uitlijning en vergeleek de metingen van dezelfde plasmastroom op twee verschillende locaties. Eerst zetten ze de metingen om in vier belangrijke energiegrootheden, waaronder een meting van de opgeslagen energie in het magnetische veld, de zogenaamde golfenergieflux. Omdat energie noch kan worden gecreëerd noch kan worden vernietigd, maar alleen kan worden omgezet van de ene vorm naar de andere, vergeleek het team de metingen van Parker met die van Solar Orbiter. Ze deden deze vergelijking zowel met als zonder de magnetische energieterm.
“We ontdekten dat als we de golfenergieflux bij Parker niet meerekenen, we niet helemaal overeenkomen met de hoeveelheid energie die we bij Solar Orbiter hebben,” zegt eerste auteur Samuel Badman, Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian, Massachusetts. Dicht bij de zon, waar Parker de stroom heeft gemeten, werd ongeveer 10% van de totale energie gevonden in het magnetische veld. Bij Solar Orbiter was dit gedaald tot slechts 1%, maar het plasma was versneld en langzamer afgekoeld dan verwacht. Door de cijfers te vergelijken, concludeerde het team dat de verloren magnetische energie de versnelling aandreef en de afkoeling van het plasma vertraagde door zelf voor wat verwarming te zorgen.
De gegevens laten ook zien hoe belangrijk magnetische configuraties, bekend als switchbacks, zijn voor de versnelling van de wind. De switchbacks zijn grote afbuigingen in de magnetische veldlijnen van de zon en zijn voorbeelden van Alfvén-golven. Ze worden al gezien sinds de eerste zonnesondes in de jaren zeventig, maar hun detectiegraad is drastisch toegenomen sinds Parker Solar Probe in 2021 als eerste ruimtevaartuig door de corona van de zon vloog en detecteerde dat switchbacks in patches samenkomen.
Dit nieuwe werk bevestigt dat deze flarden van switchbacks genoeg energie bevatten om verantwoordelijk te zijn voor het ontbrekende deel van de versnelling en opwarming van de snelle zonnewind. “Dit nieuwe werk brengt op deskundige wijze een aantal grote stukken van de zonnepuzzel samen. Meer en meer laat de combinatie van gegevens verzameld door Solar Orbiter, Parker Solar Probe en andere missies ons zien dat verschillende zonneverschijnselen samenwerken om deze buitengewone magnetische omgeving te bouwen,” zegt Daniel Müller, ESA Project Scientist voor Solar Orbiter.
En het vertelt ons niet alleen over ons zonnestelsel. “Onze zon is de enige ster in het heelal waarvan we de wind direct kunnen meten. Dus wat we over onze zon hebben geleerd, geldt in elk geval voor andere sterren van het zon-type en misschien ook voor andere soorten sterren die winden hebben,” zegt Samuel. Het team is momenteel bezig om hun analyse uit te breiden naar langzamere vormen van de zonnewind, om te zien of de energie van het magnetische veld van de zon ook een rol speelt bij hun versnelling en verhitting.
Bron: ESA
