science >> Wetenschap >  >> Astronomie

25 jaar wetenschap in de zonnewind

Een artistieke illustratie van het ruimtevaartuig Wind, die 25 jaar geleden in 1994 werd gelanceerd. Credit:NASA's Goddard Space Flight Center

In het begin van de jaren tachtig, heliofysici hadden antwoorden nodig. Ze wilden leren hoe ze astronauten en bezittingen rond de aarde kunnen beschermen tegen het potentieel schadelijke ruimteweer dat het gevolg is van onze onstuimige zon. Om dat te doen, ze moesten de voortdurend veranderende, dynamisch ruimtesysteem rond onze planeet - inclusief metingen van de eigenschappen van de zonnewind, het constante golven van geladen deeltjes die van de zon komen. Het beantwoorden van deze oproep was de toepasselijk genaamde Wind-missie, die 25 jaar geleden werd gelanceerd, op 1 november 1994. Wind draait momenteel om het eerste Lagrange-punt, L1, een plek van zwaartekrachtbalans tussen de zon en de aarde, waardoor het ruimtevaartuig te allen tijde naar de zon kan kijken.

De afgelopen 25 jaar, Wind bestudeert het verwarmde gas van geladen deeltjes - bekend als plasma - dat de ruimte tussen planeten vult. De waarnemingen hebben wetenschappers in staat gesteld inzicht te krijgen in de zonnewind en zijn interacties met de nabije aarde. Windgegevens hebben een belangrijke rol gespeeld bij het ophelderen van eigenschappen van zonnewind, intens ruimteweer, en interstellaire ruimte, evenals het assisteren van andere ruimtevaartuigen die de zon van dichtbij zijn gaan bestuderen.

Tot dusver, De gegevens van Wind zijn gebruikt in meer dan 5, 000 publicaties, en ondersteund bijna 100 graduate graden. Het verzamelt al 25 jaar gestaag gegevens, en heeft genoeg brandstof in zijn huidige baan om tot 2074 mee te gaan. De wetenschappelijke resultaten van Wind zijn wonderbaarlijk - hier zijn enkele van de coolste resultaten van de afgelopen 25 jaar:

1. Zonne-radio

Vroeg in zijn missie, Wind afgestemd op de radiofrequenties van de zon. Door mee te luisteren, Wind was in staat om een ​​brom van onze ster te detecteren; de zon zong. Door de minieme veranderingen in deze frequentie te volgen, wetenschappers kunnen op afstand het oppervlak van de zon observeren en het ruimteweer dat naar de aarde komt.

2. Interstellair stof

In de eerste jaren van waarnemingen, wetenschappers merkten iets interessants op met de elektrische velddetectoren van Wind aan boord van de missie. Zo nu en dan, een grote piek zou verschijnen in de gegevens. Eventueel, wetenschappers bepaalden de oorsprong van de spikes:supersnelle stofdeeltjes die het ruimtevaartuig treffen. Wanneer deze stofdeeltjes Wind raken, ze creëren kleine explosies van plasma bij impact, wat resulteerde in elektrische veldpieken op de instrumenten. Dergelijke deeltjes kunnen van binnen of buiten het zonnestelsel komen, maar de meeste interstellaire deeltjes worden buiten gehouden door de invloed van de zonnewind. We hebben niet veel hulpmiddelen in de ruimte om ze te detecteren. Tot nu toe heeft Wind ruim 100 gemeten, 000 stofdeeltjes inslagen. Wetenschappers kunnen de informatie gebruiken om te bepalen waar dit stof vandaan komt en om de eigenschappen van de ruimte buiten de invloed van onze zon beter te begrijpen.

3. Hit of Miss?

Wind is een groot deel van het helpen van wetenschappers om coronale massa-ejecties te begrijpen, of CME's. Wind is ontworpen om de magnetische velden van CME's te meten terwijl ze voorbij kwamen. Coronale massa-ejecties zijn gigantische wolken van zonnemateriaal die van de zon barsten, zonne-magnetische velden mee te trekken voor de rit. Sinds de jaren tachtig, wetenschappers hebben hun vermogen verbeterd om te bepalen welke CME's de aarde zouden raken, en die de aarde zou missen, gebaseerd op wat Wind waarneemt als een CME passeert. Hierdoor konden ruimteweerwetenschappers tegenwoordig nauwkeurigere modellen maken waarmee ze kunnen bepalen waar een CME zal toeslaan, gewoon door te zien hoe het eruit ziet als het dichter bij de aarde komt.

4. Gemaakt om lang mee te gaan

Na 25 jaar, Wind is nog niet gedaan. Wind heeft genoeg brandstof om in een baan om de aarde te blijven draaien en gegevens te verzamelen tot 2074 - nog eens 55 jaar wetenschap. Maar hoe blijft het daar zo lang? Voor een, het is in een spin-gestabiliseerde baan. Dit betekent dat het als een tol om zichzelf heen draait, waardoor het stabiel in zijn baan blijft. Dit betekent ook dat Wind niet veel brandstof hoeft te gebruiken om op zijn plaats te blijven. Het is ook zeer goed beschermd - zeer geleidend, zodat de zonnewind en andere deeltjes die ermee in wisselwerking staan, niet van belang zijn voor het ruimtevaartuig.

NASA-missies blijven Faraday-bekers gebruiken om de zonnewind te bestuderen, net als het Solar Wind Experiment van Wind dat in 1994 werd gelanceerd, aan je linker kant. Aan de rechterkant is de Parker Solar Cup aan boord van Parker Solar Probe, die in 2018 gelanceerd werd. Credits:Links:NASA/MIT; Rechtsaf:. Krediet:NASA/Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

5. Hoge zekerheid

Bovenop de ruimtevaarttechniek, de instrumenten zijn ontworpen voor driedubbele redundantie, wat betekent dat er drie onafhankelijke metingen van plasmadichtheid zijn. Het hebben van deze redundante systemen zorgt voor zeer nauwkeurige gegevensanalyse, en betekent dat Wind kan worden gebruikt om instrumenten op andere ruimtevaartuigen te kalibreren. Wind neemt deze gegevens op twee bandrecorders op, net zoals een VHS- of cassettebandje. De satelliet stuurt de gegevens terug naar de aarde, en pas als die gegevens zijn ontvangen, zal Wind over die gegevens schrijven.

6. Eén volledige zonnecyclus

Dankzij de lange levensduur van wind kan het een volledige 22-jarige zonnecyclus waarnemen, de terugkerende cyclus waarin het hele magnetische veld van de zon de polariteit omkeert. Dat is, elke magnetische pool schakelt van positief naar negatief of omgekeerd, schakelt dan weer terug. Wind op lange termijn, zeer nauwkeurige waarnemingen hebben wetenschappers de enige single-source, continue observatie van de zonnewind gedurende een volledige zonnecyclus.

7. Magnetische herverbinding

Tijdens een omweg door het aardmagnetisch veld, Wind vloog toevallig door een gebied dat een proces onderging dat magnetische herverbinding wordt genoemd. Magnetische herverbinding vindt plaats wanneer magnetische veldlijnen draaien en uiteindelijk breken. In de buurt van de aarde, de magnetische velden van onze planeet vliegen terug naar de polen, het meenemen van hoogenergetische deeltjes plasmastralen voor de rit en opwindende deeltjes in de bovenste atmosfeer van de aarde. Toen Wind dit proces meet, wetenschappers ontdekten iets interessants:het proces leek botsingloos te zijn. Dat is, in plaats van te worden voortgeduwd - zoals een druppel water de volgende duwt in een kettinggebeurtenis die een stroom veroorzaakt - bewogen de deeltjes omdat ze werden geleid door het magnetische veld. Dit was niet wat verwacht werd. Deeltjes hebben de neiging om op elkaar te reageren, maar in de botsingloze schok, ze negeerden in wezen elkaars bestaan. De ontdekking hielp verklaren waarom de waargenomen magnetische herverbinding zoveel sneller was dan eerder werd voorspeld door herverbinding die afhankelijk was van botsingen.

8. Plasma-instabiliteit

Zonnewind, ondanks de naam, gedraagt ​​zich niet als wind op aarde. Hoe verder de wind van zijn bron komt, de zon, hoe sneller en heter het wordt - in tegenstelling tot elk ander fenomeen dat we op aarde ervaren. Onlangs, De gegevens van Wind suggereerden dat er iets gebeurt in de zonnewind dat deze mysterieuze eigenschap zou kunnen verklaren:ionencyclotrongolven. Het is een mondvol, maar ion-cyclotrongolven zijn gewoon elektromagnetische golven waarbij de velden in golfachtige ritmes roteren terwijl ze zich ook voortplanten in de zonnewind. Wind toonde aan dat deze ionencyclotrongolven verschijnen in de zonnewind nabij de aarde. Missies zoals Parker Solar Probe hebben de mogelijkheid om te testen of dergelijke golven het probleem van de coronale verwarming van de zon verklaren.

9. Helium en de zonnewind

Een van de instrumenten op Wind ontdekte een interessante kwaliteit van de zonnewind. Het zonnewindexperiment gebruikt een Faraday-beker - een plaat voor het verzamelen van lading - om de snelheid te meten, dichtheid, en temperatuur van waterstof en helium in de zonnewind. Tijdens het bestuderen van de zonnewind gedurende 10 jaar met meer dan 2,5 miljoen metingen, wetenschappers merkten op dat de zonnewind nooit langzamer reisde dan 161 mijl per seconde. Elke langzamere, en de zonnewind kon niet ontsnappen aan het oppervlak van de zon. Ze zagen ook dat hoe sneller de zonnewind, hoe meer helium erin aanwezig was - met nauwelijks helium waargenomen bij de laagste snelheden. Dit vertelt wetenschappers dat helium op de een of andere manier helpt bij het bepalen van de snelheid van de zonnewind, maar ze zijn nog steeds op zoek naar het exacte proces dat dit veroorzaakt. Andere missies die dichter bij de zon vliegen, zoals NASA's Parker Solar Probe en ESA's Solar Orbiter, gepland voor lancering in februari 2020 - kan aanvullende aanwijzingen opleveren.

10. Fluxtouwen

De gegevens met hoge resolutie van Wind boden nieuw inzicht in de frequentie van een zonnefenomeen dat fluxkabels wordt genoemd. dunne strengen magnetische veldbundels die van de zon komen en interageren met de magnetosfeer van de aarde. In tegenstelling tot de grotere CME's die vaker voorkomen tijdens het zonnemaximum, deze fluxkabels verschijnen vaker tijdens het zonneminimum. Wetenschappers blijven ze bestuderen om te begrijpen hoe ze omgaan met onze magnetosfeer.

In de afgelopen 25 jaar, De waarnemingen van Wind hebben nieuwe inzichten opgeleverd in meerdere zonne- en plasmafenomenen, inclusief gammastraling en kinetische fysica. Terwijl het zijn waarnemingen van de zon en de ruimte nabij de aarde voortzet, Wind zal de roep om plasma- en zonnewindobservaties beantwoorden, en mogelijk nog meer mysteries introduceren om in de toekomst te bestuderen.