Er is iets mysterieus aan de hand bij de zon. In weerwil van alle logica, zijn atmosfeer krijgt veel, veel heter hoe verder het zich uitstrekt van het brandende oppervlak van de zon.

Temperaturen in de corona - de ijle, buitenste laag van de zonneatmosfeer - pieken van meer dan 2 miljoen graden Fahrenheit, terwijl slechts 1, 000 mijl lager, het onderliggende oppervlak suddert op een zwoele 10, 000 F. Hoe de zon deze prestatie beheert, blijft een van de grootste onbeantwoorde vragen in de astrofysica; wetenschappers noemen het het coronale verwarmingsprobleem. een nieuwe, mijlpaal missie, NASA's Parker Solar Probe - gepland om niet eerder dan 11 augustus te lanceren, 2018 – vliegt zelf door de corona, op zoek naar aanwijzingen voor zijn gedrag en biedt wetenschappers de kans om dit mysterie op te lossen.

Van aarde, zoals we het in zichtbaar licht zien, het uiterlijk van de zon - stil, onveranderlijk - logenstraft het leven en het drama van onze naaste ster. Het turbulente oppervlak wordt opgeschrikt door uitbarstingen en intense uitbarstingen van straling, die zonnemateriaal met ongelooflijke snelheden naar elke hoek van het zonnestelsel slingeren. Deze zonneactiviteit kan ruimteweergebeurtenissen veroorzaken die de radiocommunicatie kunnen verstoren, satellieten en astronauten schaden, en op hun meest ernstige, interfereren met elektriciteitsnetten.

Boven het oppervlak, de corona strekt zich uit over miljoenen kilometers en kolkt met plasma, gassen zijn zo oververhit dat ze uiteenvallen in een elektrische stroom van ionen en vrije elektronen. Eventueel, het gaat verder naar buiten als de zonnewind, een supersonische stroom plasma die het hele zonnestelsel doordringt. En dus, het is dat mensen ruim binnen de uitgestrekte atmosfeer van onze zon leven. Om de corona en al zijn geheimen volledig te begrijpen, moet je niet alleen de ster begrijpen die het leven op aarde aandrijft, maar ook, de ruimte om ons heen.

Een 150 jaar oud mysterie

Het meeste van wat we weten over de corona is diep geworteld in de geschiedenis van totale zonsverduisteringen. Voordat geavanceerde instrumenten en ruimtevaartuigen, de enige manier om de corona vanaf de aarde te bestuderen was tijdens een totale zonsverduistering, wanneer de maan het heldere gezicht van de zon blokkeert, het onthullen van de omgeving, dimmer corona.

Het verhaal van het coronale verwarmingsprobleem begint met een groene spectraallijn die werd waargenomen tijdens een totale zonsverduistering van 1869. Omdat verschillende elementen licht uitstralen op karakteristieke golflengten, wetenschappers kunnen spectrometers gebruiken om licht van de zon te analyseren en de samenstelling ervan te identificeren. Maar de groene lijn die in 1869 werd waargenomen, kwam niet overeen met bekende elementen op aarde. Wetenschappers dachten dat ze misschien een nieuw element hadden ontdekt, en ze noemden het coronium.

Pas 70 jaar later ontdekte een Zweedse natuurkundige dat het element dat verantwoordelijk is voor de emissie ijzer is. oververhit tot het punt dat het 13 keer geïoniseerd is, waardoor het met slechts de helft van de elektronen van een normaal ijzeratoom overblijft. En daarin ligt het probleem:wetenschappers berekenden dat zulke hoge niveaus van ionisatie coronale temperaturen van ongeveer 2 miljoen graden Fahrenheit zouden vereisen - bijna 200 keer heter dan het oppervlak.

Al decenia, deze bedrieglijk eenvoudige groene lijn is de Mona Lisa van de zonnewetenschap geweest, verbijsterende wetenschappers die het bestaan ​​ervan niet kunnen verklaren. Sinds het identificeren van de bron, we zijn gaan begrijpen dat de puzzel nog ingewikkelder is dan hij eerst leek.

"Ik zie het coronale verwarmingsprobleem als een paraplu die een aantal gerelateerde verwarrende problemen dekt, " zei Justin Kasper, een ruimtewetenschapper aan de Universiteit van Michigan in Ann Arbor. Kasper is tevens hoofdonderzoeker voor SWEAP, afkorting voor de Solar Wind Electrons Alphas and Protons Investigation, een instrumentensuite aan boord van Parker Solar Probe. "Eerst, hoe wordt de corona zo snel zo heet? Maar het tweede deel van het probleem is dat het niet zomaar begint, het blijft doorgaan. En niet alleen gaat de verwarming door, maar verschillende elementen worden met verschillende snelheden verwarmd." Het is een intrigerende hint naar wat er gaande is met verwarming in de zon.

Sinds de ontdekking van de hete corona, wetenschappers en ingenieurs hebben veel werk verzet om het gedrag ervan te begrijpen. Ze hebben krachtige modellen en instrumenten ontwikkeld en ruimtevaartuigen gelanceerd die de hele dag naar de zon kijken. Maar zelfs de meest complexe modellen en observaties met hoge resolutie kunnen coronale verwarming slechts gedeeltelijk verklaren, en sommige theorieën spreken elkaar tegen. Er is ook het probleem van het op afstand bestuderen van de corona.

We kunnen leven in de uitgestrekte atmosfeer van de zon, maar de corona en het zonneplasma in de nabije aarde verschillen dramatisch. De langzame zonnewind doet er ongeveer vier dagen over om 93 miljoen mijl af te leggen en de aarde of het ruimtevaartuig dat hem bestudeert te bereiken - genoeg tijd om zich te vermengen met andere deeltjes die door de ruimte razen en zijn bepalende kenmerken te verliezen.

Het bestuderen van deze homogene soep van plasma voor aanwijzingen voor coronale verwarming is als proberen de geologie van een berg te bestuderen, door sediment in een rivierdelta duizenden mijlen stroomafwaarts te doorzoeken. Door naar de corona te reizen, Parker Solar Probe zal zojuist verwarmde deeltjes bemonsteren, het wegnemen van de onzekerheden van een reis van 93 miljoen mijl en het terugsturen naar de aarde van de meest ongerepte metingen van de corona die ooit zijn geregistreerd.

"Al ons werk door de jaren heen heeft tot dit punt geleid:we realiseerden ons dat we het coronale verwarmingsprobleem nooit volledig kunnen oplossen totdat we een sonde sturen om metingen te doen in de corona zelf, " zei Nour Raouafi, Parker Solar Probe plaatsvervangend projectwetenschapper en zonnefysicus bij het Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland.

Naar de zon reizen is een idee dat ouder is dan NASA zelf, maar het heeft tientallen jaren geduurd om de technologie te ontwikkelen die zijn reis mogelijk maakt. In die tijd, wetenschappers hebben precies bepaald welke soorten data - en bijbehorende instrumenten - ze nodig hebben om een ​​beeld van de corona te maken en deze ultieme brandende vragen te beantwoorden.

De geheimen van de corona uitleggen

Parker Solar Probe zal twee hoofdtheorieën testen om coronale verwarming te verklaren. De buitenste lagen van de zon koken constant en bruisen van mechanische energie. Terwijl massieve cellen van geladen plasma door de zon karnen - ongeveer zoals afzonderlijke bellen door een pan met kokend water oprollen - genereert hun vloeiende beweging complexe magnetische velden die zich tot ver in de corona uitstrekken. op de een of andere manier, de verwarde velden kanaliseren deze woeste energie in de corona als warmte - hoe ze dat doen, is wat elke theorie probeert uit te leggen.

Eén theorie stelt dat elektromagnetische golven de oorzaak zijn van de extreme hitte van de corona. Misschien lanceert die kokende beweging magnetische golven van een bepaalde frequentie - Alfvén-golven genaamd - van diep in de zon de corona in, die geladen deeltjes ronddraaien en de atmosfeer verwarmen, een beetje zoals hoe oceaangolven surfers naar de kust duwen en versnellen.

Een ander suggereert bomachtige explosies, nanofakkels genoemd, over het oppervlak van de zon dumpen warmte in de zonne-atmosfeer. Net als hun grotere tegenhangers, zonnevlammen, Men denkt dat nanoflares het resultaat zijn van een explosief proces dat magnetische herverbinding wordt genoemd. Turbulente koken op de zon verdraait en verwringt magnetische veldlijnen, stress en spanning opbouwen totdat ze explosief knappen - zoals het breken van een overgewikkelde rubberen band - versnellende en verwarmende deeltjes in hun kielzog.

De twee theorieën sluiten elkaar niet noodzakelijk uit. In feite, om de zaken ingewikkelder te maken, veel wetenschappers denken dat beide betrokken kunnen zijn bij het opwarmen van de corona. Soms, bijvoorbeeld, de magnetische herverbinding die een nanoflare veroorzaakt, kan ook Alfvén-golven lanceren, die vervolgens het omringende plasma verder verwarmen.

De andere grote vraag is, hoe vaak vinden deze processen plaats - constant of in verschillende bursts? Om dat te beantwoorden, is een detailniveau vereist dat we niet hebben vanaf 93 miljoen mijl afstand.

"We gaan dicht bij de verwarming, en er zijn momenten dat Parker Solar Probe meedraait, of om de zon draaien met dezelfde snelheid als de zon zelf draait, " zei Eric Christiaan, een ruimtewetenschapper bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, en lid van het wetenschappelijke team van de missie. "Dat is een belangrijk onderdeel van de wetenschap. Door over dezelfde plek te zweven, we zullen de evolutie van verwarming zien."

Het bewijs blootleggen

Zodra Parker Solar Probe bij de corona arriveert, hoe zal het wetenschappers helpen te onderscheiden of golven of nanoflares de verwarming aansturen? Terwijl het ruimtevaartuig vier instrumentsuites heeft voor verschillende soorten onderzoek, twee in het bijzonder zullen gegevens verkrijgen die nuttig zijn voor het oplossen van het coronale verwarmingsmysterie:het FIELDS-experiment en SWEAP.

Landmeter van onzichtbare krachten, VELDEN, geleid door de Universiteit van Californië, Berkeley, meet direct elektrische en magnetische velden, om de schokken te begrijpen, golven en magnetische herverbindingsgebeurtenissen die de zonnewind verwarmen.

SWEAP - geleid door het Harvard-Smithsonian Astrophysical Observatory in Cambridge, Massachusetts - is de complementaire helft van het onderzoek, het verzamelen van gegevens over het hete plasma zelf. Het telt de meest voorkomende deeltjes in de zonnewind:elektronen, protonen en heliumionen - en meet hun temperatuur, hoe snel ze bewegen nadat ze zijn verwarmd, en in welke richting.

Samen, de twee instrumentsuites schetsen een beeld van de elektromagnetische velden die verantwoordelijk zijn voor verwarming, evenals de zojuist verwarmde zonnedeeltjes die door de corona wervelen. De sleutel tot hun succes zijn metingen met hoge resolutie, in staat om interacties tussen golven en deeltjes in slechts fracties van een seconde op te lossen.

Parker Solar Probe zal binnen 3,9 miljoen mijl van het oppervlak van de zon duiken - en hoewel deze afstand groot lijkt, het ruimtevaartuig is goed gepositioneerd om handtekeningen van coronale verwarming te detecteren. "Hoewel magnetische herverbindingsgebeurtenissen plaatsvinden lager in de buurt van het oppervlak van de zon, het ruimtevaartuig zal het plasma zien direct nadat ze zich voordoen, " zei Goddard zonnewetenschapper Nicholeen Viall. "We hebben de kans om onze thermometer recht in de corona te steken en de temperatuur te zien stijgen. Vergelijk dat met het bestuderen van plasma dat vier dagen geleden werd verwarmd vanaf de aarde, waar veel van de 3D-structuren en tijdgevoelige informatie worden weggespoeld."

Dit deel van de corona is volledig onontgonnen terrein, en wetenschappers verwachten bezienswaardigheden die ze nog nooit eerder hebben gezien. Sommigen denken dat het plasma daar onregelmatig en ijl zal zijn, als cirruswolken. Of misschien zal het eruitzien als massieve pijpenragers-achtige structuren die door de zon worden uitgestraald.

"Ik ben er vrij zeker van dat wanneer we die eerste ronde gegevens terugkrijgen, we zullen zien dat de zonnewind op lagere hoogten bij de zon stekelig en impulsief is, " zei Stuart Bale, Universiteit van Californië, Berkeley, astrofysicus en hoofdonderzoeker van FIELDS. "Ik zou mijn geld besteden aan het feit dat de gegevens veel opwindender zijn dan wat we in de buurt van de aarde zien."

De gegevens zijn ingewikkeld genoeg - en komen van meerdere instrumenten - dat het wetenschappers enige tijd zal kosten om een ​​verklaring voor coronale verwarming te vinden. En omdat het oppervlak van de zon niet glad is en overal varieert, Parker Solar Probe moet meerdere keren over de zon gaan om het hele verhaal te vertellen. Maar wetenschappers zijn ervan overtuigd dat het de tools heeft om hun vragen te beantwoorden.

Het basisidee is dat elk voorgesteld verwarmingsmechanisme zijn eigen specifieke signatuur heeft. Als de golven van Alfvén de bron zijn van de extreme hitte van de corona, FIELDS zal hun activiteit detecteren. Omdat zwaardere ionen met verschillende snelheden worden verwarmd, het blijkt dat verschillende klassen van deeltjes op specifieke manieren met die golven interageren; SWEAP zal hun unieke interacties karakteriseren.

Als nanoflares verantwoordelijk zijn, wetenschappers verwachten stralen van versnelde deeltjes in tegengestelde richtingen te zien schieten - een veelbetekenend teken van explosieve magnetische herverbinding. Waar magnetische herverbinding plaatsvindt, ze moeten ook hotspots detecteren waar magnetische velden snel veranderen en het omringende plasma verwarmen.

Ontdekkingen liggen in het verschiet

Er heerst een gretigheid en opwinding onder zonnewetenschappers:de missie van Parker Solar Probe markeert een keerpunt in de geschiedenis van de astrofysica, en ze hebben een reële kans om de mysteries te ontrafelen die hun vakgebied al bijna 150 jaar in verwarring brengen.

Door de innerlijke werking van de corona aan elkaar te knopen, wetenschappers zullen een dieper begrip krijgen van de dynamiek die ruimteweergebeurtenissen veroorzaakt, het vormgeven van de omstandigheden in de ruimte nabij de aarde. Maar de toepassingen van deze wetenschap reiken ook buiten het zonnestelsel. De zon opent een venster om andere sterren te begrijpen - vooral die sterren die ook zonachtige verhittingssterren vertonen die mogelijk bewoonbare omgevingen zouden kunnen bevorderen, maar die te ver weg zijn om ooit te bestuderen. En het verlichten van de fundamentele fysica van plasma's zou wetenschappers waarschijnlijk veel kunnen leren over hoe plasma's zich elders in het universum gedragen, zoals in clusters van sterrenstelsels of rond zwarte gaten.

Het is ook heel goed mogelijk dat we nog niet eens de grootste ontdekkingen hebben bedacht. Het is moeilijk te voorspellen hoe het oplossen van coronale verwarming ons begrip van de ruimte om ons heen zal veranderen. maar fundamentele ontdekkingen zoals deze hebben het vermogen om wetenschap en technologie voor altijd te veranderen. De reis van Parker Solar Probe brengt menselijke nieuwsgierigheid naar een nooit eerder gezien gebied van het zonnestelsel, waar elke waarneming een potentiële ontdekking is.

"Ik ben er bijna zeker van dat we nieuwe fenomenen zullen ontdekken waar we nu niets van weten, en dat is heel spannend voor ons, "Zei Raouafi. "Parker Solar Probe zal geschiedenis schrijven door ons te helpen de coronale verwarming te begrijpen - evenals de versnelling van de zonnewind en zonne-energetische deeltjes - maar ik denk dat het ook het potentieel heeft om de richting van de toekomst van de zonnefysica te sturen."