in 1610, Galileo heeft de telescoop opnieuw ontworpen en de vier grootste manen van Jupiter ontdekt. Bijna 400 jaar later, NASA's Hubble-ruimtetelescoop gebruikte zijn krachtige optica om diep in de ruimte te kijken, waardoor wetenschappers de ouderdom van het universum konden vaststellen.

Het volstaat te zeggen dat een betere kijk op de dingen grote wetenschappelijke vooruitgang oplevert.

In een paper gepubliceerd op 18 juli in The Astrofysisch tijdschrift , een team van wetenschappers onder leiding van Craig DeForest - zonnefysicus bij de vestiging van het Southwest Research Institute in Boulder, Colorado - laat zien dat deze historische trend nog steeds geldt. Met behulp van geavanceerde algoritmen en technieken voor het opschonen van gegevens, het team ontdekte nooit eerder gedetecteerde, fijnkorrelige structuren in de buitenste corona - de atmosfeer van een miljoen graden van de zon - door beelden te analyseren die zijn gemaakt door NASA's STEREO-ruimtevaartuig. De nieuwe resultaten bieden ook een voorbode van wat de NASA's Parker Solar Probe zou kunnen zien, die na de lancering in de zomer van 2018 rechtstreeks door die regio zal cirkelen.

De buitenste corona is de bron van de zonnewind, de stroom van geladen deeltjes die in alle richtingen van de zon naar buiten stromen. Gemeten in de buurt van de aarde, de magnetische velden ingebed in de zonnewind zijn met elkaar verweven en complex, maar wat deze complexiteit veroorzaakt, blijft onduidelijk.

"In de diepe ruimte, de zonnewind is onstuimig en winderig, ' zei DeForest. 'Maar hoe is het zo gekomen? Heeft het de zon glad gemaakt, en turbulent worden als het het zonnestelsel doorkruist, of vertellen de windstoten ons over de zon zelf?"

Om deze vraag te beantwoorden, is het nodig om de buitenste corona - de bron van de zonnewind - tot in het kleinste detail te observeren. Als de zon zelf de turbulentie in de zonnewind veroorzaakt, dan zouden we vanaf het begin van de reis van de wind complexe structuren moeten kunnen zien.

Maar bestaande gegevens vertoonden niet zo'n fijnmazige structuur - tenminste, tot nu.

"Eerdere beelden van de corona toonden de regio als een gladde, laminaire structuur, " zei Nicki Viall, zonnefysicus bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, en co-auteur van de studie. "Het blijkt, die schijnbare gladheid was gewoon te wijten aan beperkingen in onze beeldresolutie."

De studie

Om de corona te begrijpen, DeForest en zijn collega's begonnen met coronagraafbeelden - foto's van de atmosfeer van de zon geproduceerd door een speciale telescoop die het licht van het (veel helderdere) oppervlak blokkeert.

Deze beelden werden gegenereerd door de COR2-coronagraaf aan boord van NASA's Solar and Terrestrial Relations Observatory-A, of STEREO-A, ruimtevaartuig, die de zon omcirkelt tussen de aarde en Venus.

In april 2014, STEREO-A zou spoedig achter de zon passeren, en wetenschappers wilden interessante gegevens verzamelen voordat de communicatie kort werd onderbroken.

Daarom voerden ze een speciale driedaagse dataverzamelingscampagne waarbij COR2 langer en frequenter aan de corona werd blootgesteld dan gewoonlijk. Deze lange belichtingen geven het licht van zwakke bronnen meer tijd om de detector van het instrument te raken, waardoor het details kan zien die het anders zou missen.

Maar de wetenschappers wilden niet alleen beelden met een langere belichtingstijd, ze wilden ook een hogere resolutie. Opties waren beperkt. Het instrument was al in de ruimte; in tegenstelling tot Galileo konden ze niet sleutelen aan de hardware zelf. In plaats daarvan, ze kozen voor een software-aanpak, gegevens van de hoogst mogelijke kwaliteit eruit persen door de signaal-ruisverhouding van de COR2 te verbeteren.

Wat is de signaal-ruisverhouding?

De signaal-ruisverhouding is een belangrijk begrip in alle wetenschappelijke disciplines. Het meet hoe goed je kunt onderscheiden wat je belangrijk vindt om te meten - het signaal - van de dingen die je niet doet - de ruis.

Bijvoorbeeld, laten we zeggen dat u gezegend bent met een goed gehoor. Je merkt 's avonds laat het kleinste muisgepiep; je kunt het gefluister van ineengedoken schoolkinderen op twintig meter afstand afluisteren. Uw gehoor is onberispelijk - als het geluid laag is.

Maar het is een heel ander balspel als je op de eerste rij van een rockconcert staat. De andere geluiden in de omgeving zijn gewoon te overweldigend; hoe goed je ook luistert, muis-piept en fluistert (het signaal, in dit geval) niet door de muziek (het geluid) heen.

Het probleem is niet je gehoor, maar de slechte signaal-ruisverhouding.

De coronagrafen van COR2 zijn als je gehoor. Het instrument is gevoelig genoeg om de corona zeer gedetailleerd in beeld te brengen, maar in de praktijk worden de metingen vervuild door ruis - uit de ruimteomgeving en zelfs de bedrading van het instrument zelf. De belangrijkste innovatie van DeForest en zijn collega's was het identificeren en scheiden van dat lawaai, het versterken van de signaal-ruisverhouding en het onthullen van de buitenste corona in ongekend detail.

De analyse

De eerste stap naar verbetering van de signaal-ruisverhouding was al gezet:beelden met een langere belichtingstijd. Langere belichtingen laten meer licht in de detector toe en verminderen het ruisniveau - het team schat de ruisonderdrukking met een factor 2,4 voor elk beeld, en een factor 10 wanneer ze worden gecombineerd over een periode van 20 minuten.

Maar de resterende stappen waren tot geavanceerde algoritmen, ontworpen en getest om de echte corona uit de lawaaierige metingen te halen.

Ze filterden het licht van achtergrondsterren (die heldere vlekken in het beeld creëren die niet echt deel uitmaken van de corona). Ze corrigeerden voor kleine (enkele milliseconden) verschillen in hoe lang de sluiter van de camera open was. Ze verwijderden de helderheid van de basislijn van alle afbeeldingen, en normaliseerde het zodat helderdere regio's de zwakkere niet zouden uitwassen.

Maar een van de meest uitdagende obstakels is inherent aan de corona:bewegingsonscherpte door de zonnewind. Om deze geluidsbron te overwinnen, DeForest en collega's hebben een speciaal algoritme gebruikt om hun afbeeldingen op tijd glad te strijken.

Op tijd gladstrijken - met een twist

Als je ooit een "double-take, " je weet het een en ander over het in de tijd gladstrijken. Een dubbele take - een tweede blik werpen, om uw eerste te verifiëren - is slechts een low-tech manier om twee "metingen" te combineren die op verschillende tijdstippen zijn genomen, in één meting waar u meer vertrouwen in kunt hebben.

Smoothing in time maakt van dit idee een algoritme. Het principe is eenvoudig:maak twee (of meer) afbeeldingen, overlappen ze, en het gemiddelde van hun pixelwaarden samen. Willekeurige verschillen tussen de afbeeldingen zullen uiteindelijk opheffen, laat alleen achter wat consistent is tussen hen.

Maar als het om de corona gaat, er is een probleem:het is een dynamische, voortdurend bewegende en veranderende structuur. Zonnemateriaal beweegt altijd weg van de zon om de zonnewind te worden. Door de tijd glad te strijken, ontstaat er bewegingsonscherpte - dezelfde soort vervaging die je ziet op foto's van bewegende objecten. Dat is een probleem als het je doel is om fijne details te zien.

Om bewegingsonscherpte van de zonnewind ongedaan te maken, de wetenschappers gebruikten een nieuwe procedure:terwijl ze hun smoothing deden, ze schatten de snelheid van de zonnewind en verschoven de beelden mee.

Om te begrijpen hoe deze aanpak werkt, denk erover na om snapshots van de snelweg te maken terwijl auto's voorbij rijden. Als u uw afbeeldingen gewoon overlapt, het resultaat zou een grote wazige puinhoop zijn - er is te veel veranderd tussen elke momentopname.

Maar als je de snelheid van het verkeer zou kunnen berekenen en je afbeeldingen zou kunnen verschuiven om het te volgen, ineens zouden de details van specifieke auto's zichtbaar worden.

Voor DeForest en zijn coauteurs, de auto's waren de fijne structuren van de corona, en het snelwegverkeer was de zonnewind.

Natuurlijk zijn er in de corona geen snelheidsborden die aangeven hoe snel het gaat. Om erachter te komen hoeveel de afbeeldingen moeten worden verschoven voordat het gemiddelde wordt genomen, ze schoten de afbeeldingen pixel voor pixel, ze met elkaar te correleren om te berekenen hoe vergelijkbaar ze waren. Uiteindelijk vonden ze de goede plek, waarbij de overlappende delen van de afbeeldingen zoveel mogelijk op elkaar leken. De hoeveelheid verschuiving kwam overeen met een gemiddelde zonnewindsnelheid van ongeveer 136 mijl per seconde. Elke afbeelding met dat bedrag verschuiven, ze hebben de afbeeldingen op een rij gezet en gladgestreken, of ze samen gemiddeld.

"We hebben gladgestreken, niet alleen in de ruimte, niet alleen op tijd, maar in een bewegend coördinatenstelsel, "DeForest zei. "Dat stelde ons in staat om bewegingsonscherpte te creëren die niet werd bepaald door de snelheid van de wind, maar door hoe snel de kenmerken veranderden in de wind."

Nu hadden DeForest en zijn medewerkers beelden van hoge kwaliteit van de corona - en een manier om te zien hoeveel het in de loop van de tijd veranderde.

De resultaten

De meest verrassende bevinding was niet een specifieke fysieke structuur - het was de simpele aanwezigheid van fysieke structuur op zich.

Vergeleken met de dynamische turbulente innerlijke corona, wetenschappers hadden de buitenste corona als glad en homogeen beschouwd. Maar die gladheid was slechts een artefact van een slechte signaal-ruisverhouding:

"Toen we zoveel mogelijk ruis verwijderden, we realiseerden ons dat de corona gestructureerd is, helemaal tot aan de optische resolutie van het instrument, ', aldus DeForest.

Zoals de afzonderlijke grassprieten die je alleen ziet als je van dichtbij bent, de complexe fysieke structuur van de corona werd in ongekend detail onthuld. En uit dat fysieke detail, kwamen drie belangrijke bevindingen naar voren.

De structuur van coronale streamers

Coronale streamers - ook bekend als helmstreamers, omdat ze lijken op de puntige helm van een ridder - zijn heldere structuren die zich ontwikkelen over gebieden van de zon met verhoogde magnetische activiteit. Gemakkelijk waargenomen tijdens zonsverduisteringen, magnetische lussen op het oppervlak van de zon worden door de zonnewind uitgerekt tot puntige uiteinden en kunnen uitbarsten in coronale massa-ejecties, of CME's, de grote explosies van materie die delen van de zon in de omringende ruimte werpen.

De verwerking van STEREO-waarnemingen door DeForest en zijn co-auteurs laat zien dat streamers zelf veel meer gestructureerd zijn dan eerder werd gedacht.

"Wat we ontdekten, is dat er niet zoiets bestaat als een enkele streamer, DeForest zei. "De streamers zelf zijn samengesteld uit talloze fijne strengen die samen gemiddeld een helderder kenmerk produceren."

De Alfvén-zone

Waar eindigt de corona en begint de zonnewind? Eén definitie wijst naar het Alfvén-oppervlak, een theoretische grens waar de zonnewind sneller begint te bewegen dan golven erdoorheen kunnen reizen. In dit grensgebied, verstoringen die plaatsvinden op een punt verder weg in het reizende zonnemateriaal kunnen nooit snel genoeg achteruit gaan om de zon te bereiken.

"Materiaal dat langs het oppervlak van Alfvén stroomt, gaat voor altijd verloren voor de zon, ', aldus DeForest.

Natuurkundigen hebben lang geloofd dat het Alfvén-oppervlak precies dat was - een oppervlak, of bladachtige laag waar de zonnewind plotseling een kritische snelheid bereikte. Maar dat is niet wat DeForest en collega's vonden.

"Wat we concluderen is dat er geen schoon Alfvén-oppervlak is, "DeForest zei. "Er is een brede 'niemandsland' of 'Alfvén zone' waar de zonnewind geleidelijk loskoppelt van de zon, in plaats van een enkele duidelijke grens."

De waarnemingen onthullen een fragmentarisch kader waarin, op een bepaalde afstand van de zon, een deel van het plasma beweegt snel genoeg om achterwaartse communicatie te stoppen, en nabijgelegen beekjes niet. De stromen zijn dichtbij genoeg, en goed genoeg, om de natuurlijke grens van het Alfvén-oppervlak door elkaar te halen om een ​​brede, gedeeltelijk losgekoppeld gebied tussen de corona en de zonnewind.

Een mysterie bij 10 zonnestralen

Maar de nadere beschouwing van de coronale structuur riep ook nieuwe vragen op.

De techniek die werd gebruikt om de snelheid van de zonnewind te schatten, bepaalde de hoogten, of afstanden van het oppervlak van de zon, waar de dingen snel veranderden. En toen merkte het team iets grappigs op.

"We ontdekten dat er een correlatieminimum is rond 10 zonnestralen, ', aldus DeForest.

Op een afstand van 10 zonnestralen, zelfs back-to-back afbeeldingen kwamen niet meer goed overeen. Maar op grotere afstanden gingen ze weer meer op elkaar lijken - wat betekent dat het niet alleen gaat om het verder van de zon weggaan. Het is alsof de dingen plotseling veranderen zodra ze 10 zonnestralen bereiken.

"Het feit dat de correlatie zwakker is bij 10 zonnestralen, betekent dat daar een aantal interessante fysica plaatsvindt, " zei DeForest. "We weten nog niet wat het is, maar we weten wel dat het interessant gaat worden."

Waar gaan we heen vanaf hier

De bevindingen zorgen voor vooruitgang in een al lang bestaand debat over de bron van de complexiteit van de zonnewind. Hoewel de STEREO-waarnemingen de vraag niet oplossen, de methodologie van het team opent een ontbrekende schakel in de zon-naar-zonne-wind-keten.

"We zien al deze variabiliteit in de zonnewind net voordat deze de magnetosfeer van de aarde raakt, en een van onze doelen was om te vragen of het zelfs mogelijk was dat de variabiliteit bij de zon werd gevormd. Het antwoord blijkt ja te zijn, ' zei Viall.

"Het stelt ons voor de eerste keer in staat om de connectiviteit door de corona echt te onderzoeken en aan te passen hoe verward we denken dat het magnetische veld in de corona raakt ten opzichte van de zonnewind, "DeForest toegevoegd.

Deze eerste waarnemingen geven ook een belangrijk inzicht in wat NASA's aankomende Parker Solar Probe zal vinden, als de allereerste missie om metingen te verzamelen vanuit de buitenste zonnecorona. Dat ruimtevaartuig zal reizen naar een afstand van 8,86 zonnestralen, recht in de regio waar interessante dingen te vinden zijn. De resultaten van DeForest en collega's stellen hen in staat om voorspellingen te doen van wat Parker Solar Probe in deze regio kan waarnemen.

"We moeten sterke fluctuaties in dichtheid verwachten, magnetische fluctuaties en herverbinding overal, en geen goed gedefinieerd Alfvén-oppervlak, ', aldus DeForest.

Aangevuld met in-situ metingen van Parker Solar Probe, algoritmen voor beeldvorming met lange belichtingstijden en ruisonderdrukking zullen nog waardevoller worden voor ons begrip van onze dichtstbijzijnde ster.