Het zichtbare oppervlak van de zon, of de fotosfeer, ligt rond de 6, 000°C. Maar een paar duizend kilometer daarboven - een kleine afstand als we kijken naar de grootte van de zon - de zonneatmosfeer, ook wel de corona genoemd, is honderden keren heter, het bereiken van een miljoen graden Celsius of hoger.

Deze piek in temperatuur, ondanks de grotere afstand tot de belangrijkste energiebron van de zon, is waargenomen in de meeste sterren, en vertegenwoordigt een fundamentele puzzel waar astrofysici al tientallen jaren over nadenken.

1942, de Zweedse wetenschapper Hannes Alfvén stelde een verklaring voor. Hij theoretiseerde dat gemagnetiseerde plasmagolven enorme hoeveelheden energie langs het magnetische veld van de zon van het binnenste naar de corona konden vervoeren, het omzeilen van de fotosfeer voordat het explodeert met hitte in de bovenste atmosfeer van de zon.

De theorie was voorlopig geaccepteerd, maar we hadden nog steeds bewijs nodig, in de vorm van empirische observatie, dat deze golven bestonden. Onze recente studie heeft dit eindelijk bereikt, Alfvéns 80 jaar oude theorie valideren en ons een stap dichter bij het benutten van dit hoge-energiefenomeen hier op aarde brengen.

Brandende vragen

Het coronale verwarmingsprobleem is vastgesteld sinds het einde van de jaren dertig, toen de Zweedse spectroscopist Bengt Edlén en de Duitse astrofysicus Walter Grotrian voor het eerst verschijnselen in de corona van de zon waarnamen die alleen aanwezig zouden kunnen zijn als de temperatuur een paar miljoen graden Celsius was.

Dit vertegenwoordigt temperaturen tot 1, 000 keer heter dan de fotosfeer eronder, dat is het oppervlak van de zon dat we vanaf de aarde kunnen zien. Het schatten van de warmte van de fotosfeer is altijd relatief eenvoudig geweest:we hoeven alleen maar het licht te meten dat ons bereikt vanaf de zon, en vergelijk het met spectrummodellen die de temperatuur van de lichtbron voorspellen.

Gedurende vele decennia van studie, de temperatuur van de fotosfeer is consequent geschat op ongeveer 6, 000°C. Edlén en Grotrian's bevinding dat de corona van de zon zoveel heter is dan de fotosfeer - ondanks dat ze verder van de kern van de zon verwijderd is, zijn ultieme energiebron - heeft geleid tot veel hoofdbrekens in de wetenschappelijke gemeenschap.

Wetenschappers keken naar de eigenschappen van de zon om deze ongelijkheid te verklaren. De zon bestaat bijna volledig uit plasma, dat is sterk geïoniseerd gas dat een elektrische lading draagt. De beweging van dit plasma in de convectiezone - het bovenste deel van het binnenste van de zon - produceert enorme elektrische stromen en sterke magnetische velden.

Deze velden worden vervolgens door convectie uit het binnenste van de zon omhoog gesleurd, en kabbelen op het zichtbare oppervlak in de vorm van donkere zonnevlekken, dat zijn clusters van magnetische velden die een verscheidenheid aan magnetische structuren in de zonneatmosfeer kunnen vormen.

Dit is waar de theorie van Alfvén van pas komt. Hij redeneerde dat in het gemagnetiseerde plasma van de zon elke bulkbeweging van elektrisch geladen deeltjes het magnetische veld zou verstoren, golven creëren die enorme hoeveelheden energie over grote afstanden kunnen vervoeren - van het oppervlak van de zon tot de bovenste atmosfeer. De warmte reist langs zogenaamde zonne-magnetische fluxbuizen voordat ze in de corona barst, het produceren van zijn hoge temperatuur.

Deze magnetische plasmagolven worden nu Alfvén-golven genoemd, en hun aandeel in het verklaren van coronale verwarming leidde ertoe dat Alfvén in 1970 de Nobelprijs voor de natuurkunde kreeg.

De golven van Alfvén observeren

Maar er bleef het probleem van het daadwerkelijk observeren van deze golven. Er gebeurt zoveel op het oppervlak van de zon en in de atmosfeer - van verschijnselen die vele malen groter zijn dan de aarde tot kleine veranderingen onder de resolutie van onze instrumenten - dat direct waarneembaar bewijs van Alfvén-golven in de fotosfeer nog niet eerder is bereikt.

Maar recente vorderingen op het gebied van instrumentatie hebben een nieuw venster geopend waardoor we zonnefysica kunnen onderzoeken. Een dergelijk instrument is de interferometrische bidimensionale spectropolarimeter (IBIS) voor beeldspectroscopie, geïnstalleerd bij de Dunn Solar Telescope in de Amerikaanse staat New Mexico. Dit instrument heeft ons in staat gesteld om veel gedetailleerdere waarnemingen en metingen van de zon te doen.

Gecombineerd met goede kijkomstandigheden, geavanceerde computersimulaties, en de inspanningen van een internationaal team van wetenschappers van zeven onderzoeksinstellingen, we hebben de IBIS gebruikt om eindelijk te bevestigen, Voor de eerste keer, het bestaan ​​van Alfvén-golven in magnetische fluxbuizen voor zonne-energie.

Nieuwe energiebron

De directe ontdekking van Alfvén-golven in de fotosfeer van de zon is een belangrijke stap om hun hoge energiepotentieel hier op aarde te benutten. Ze kunnen ons helpen kernfusie te onderzoeken, bijvoorbeeld, dat is het proces dat plaatsvindt in de zon waarbij kleine hoeveelheden materie worden omgezet in enorme hoeveelheden energie. Onze huidige kerncentrales gebruiken kernsplijting, die volgens critici gevaarlijk kernafval oplevert, vooral in het geval van rampen, waaronder die in Fukushima in 2011.

Het creëren van schone energie door de kernfusie van de zon op aarde na te bootsen, blijft een enorme uitdaging, omdat we nog steeds snel 100 miljoen graden Celsius moeten genereren om fusie te laten plaatsvinden. Alfvén-golven kunnen een manier zijn om dit te doen. Onze groeiende kennis van de zon laat zien dat het zeker mogelijk is - onder de juiste omstandigheden.

We verwachten binnenkort ook meer zonne-onthullingen, dankzij nieuwe, baanbrekende missies en instrumenten. De Solar Orbiter-satelliet van de European Space Agency bevindt zich nu in een baan rond de zon, het leveren van afbeeldingen en het nemen van metingen van de nog niet in kaart gebrachte poolgebieden van de ster. terrestrisch, de onthulling van nieuwe, Van hoogwaardige zonnetelescopen wordt ook verwacht dat ze onze waarnemingen van de zon vanaf de aarde verbeteren.

Met veel geheimen van de zon die nog moeten worden ontdekt, inclusief de eigenschappen van het magnetische veld van de zon, dit is een spannende tijd voor zonne-studies. Onze detectie van Alfvén-golven is slechts één bijdrage aan een breder veld dat de resterende mysteries van de zon wil ontrafelen voor praktische toepassingen op aarde.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.