Voor vijf maanden medio 2017, Emily Mason deed elke dag hetzelfde. Aangekomen bij haar kantoor in het Goddard Space Flight Center van NASA in Greenbelt, Maryland, ze zat aan haar bureau, opende haar computer, en staarde naar beelden van de zon - de hele dag, elke dag. "Ik heb waarschijnlijk drie of vijf jaar aan gegevens doorgenomen, "Mason schatte. Toen, in oktober 2017, ze stopte. Ze besefte dat ze al die tijd naar het verkeerde had gekeken.

Metselaar, een afgestudeerde student aan de Katholieke Universiteit van Amerika in Washington, gelijkstroom, was op zoek naar coronale regen:gigantische klodders plasma, of geëlektrificeerd gas, die vanuit de buitenste atmosfeer van de zon terug naar het oppervlak druppelen. Maar ze verwachtte het te vinden in helmwimpels, de miljoen mijl hoge magnetische lussen - genoemd naar hun gelijkenis met de puntige helm van een ridder - die tijdens een zonsverduistering uit de zon kan worden gezien. Computersimulaties voorspelden dat de coronale regen daar te vinden zou zijn. Waarnemingen van de zonnewind, het gas dat van de zon ontsnapt en de ruimte ingaat, liet doorschemeren dat de regen zou kunnen gebeuren. En als ze het maar kon vinden, de onderliggende regen-makende fysica zou grote implicaties hebben voor het 70 jaar oude mysterie van waarom de buitenste atmosfeer van de zon, bekend als de corona, is zoveel heter dan het oppervlak. Maar na bijna een half jaar zoeken, Mason kon het gewoon niet vinden. "Het was veel zoeken, " zei Mason, "voor iets dat uiteindelijk nooit is gebeurd."

Het probleem, het bleek, was niet wat ze zocht, maar waar. In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in de Astrofysische journaalbrieven , Mason en haar coauteurs beschrijven de eerste waarnemingen van coronale regen in een kleinere, eerder over het hoofd gezien soort magnetische lus op de zon. Na een lange, kronkelende zoektocht in de verkeerde richting, de bevindingen smeden een nieuw verband tussen de abnormale verwarming van de corona en de bron van de langzame zonnewind - twee van de grootste mysteries waarmee de zonnewetenschap tegenwoordig wordt geconfronteerd.

Hoe het regent op de zon

Waargenomen door de telescopen met hoge resolutie die zijn gemonteerd op NASA's SDO-ruimtevaartuig, de zon - een hete bal van plasma, vol met magnetische veldlijnen getraceerd door gigantische, vurige lussen - lijkt weinig fysieke overeenkomsten te hebben met de aarde. Maar onze thuisplaneet biedt een paar handige gidsen bij het ontleden van het chaotische tumult van de zon:onder hen, regenen.

Op aarde, regen is slechts een onderdeel van de grotere waterkringloop, een eindeloos touwtrekken tussen het duwen van hitte en het trekken van de zwaartekracht. Het begint wanneer vloeibaar water, verzameld op het aardoppervlak in oceanen, meren, of stromen, wordt verwarmd door de zon. Een deel ervan verdampt en stijgt op in de atmosfeer, waar het afkoelt en condenseert tot wolken. Eventueel, die wolken worden zwaar genoeg dat de aantrekkingskracht van de zwaartekracht onweerstaanbaar wordt en het water als regen terugvalt naar de aarde, voordat het proces opnieuw begint.

Op de zon, Mason zei, coronale regen werkt op dezelfde manier, "maar in plaats van water van 60 graden heb je te maken met een plasma van een miljoen graden." Plasma, een elektrisch geladen gas, poolt niet als water, maar traceert in plaats daarvan de magnetische lussen die uit het oppervlak van de zon tevoorschijn komen als een achtbaan op sporen. Op de voetpunten van de lus, waar het hecht aan het oppervlak van de zon, het plasma is oververhit van een paar duizend tot meer dan 1,8 miljoen graden Fahrenheit. Het breidt dan de lus uit en verzamelt zich op zijn hoogtepunt, ver van de warmtebron. Terwijl het plasma afkoelt, het condenseert en de zwaartekracht lokt het langs de benen van de lus als coronale regen.

Mason zocht coronale regen in helmwimpels, maar haar motivatie om daar te zoeken had meer te maken met deze onderliggende cyclus van verwarming en koeling dan met de regen zelf. Sinds ten minste het midden van de jaren negentig, wetenschappers weten dat helmwimpels een bron zijn van de langzame zonnewind, een relatief langzame, dichte stroom gas die afzonderlijk van zijn snel bewegende tegenhanger aan de zon ontsnapt. Maar metingen van het langzame zonnewindgas onthulden dat het ooit tot een extreme mate was verwarmd voordat het afkoelde en aan de zon ontsnapte. Het cyclische proces van opwarmen en afkoelen achter coronale regen, als het in de helmwimpels zou gebeuren, zou een stukje van de puzzel zijn.

De andere reden houdt verband met het coronale verwarmingsprobleem - het mysterie van hoe en waarom de buitenste atmosfeer van de zon zo'n 300 keer heter is dan het oppervlak. Opvallend, simulaties hebben aangetoond dat coronale regen zich alleen vormt wanneer warmte wordt toegepast op de bodem van de lus. "Als een lus coronale regen heeft, dat betekent dat de onderste 10% ervan, of minder, is waar coronale verwarming plaatsvindt, " zei Mason. Regenlussen zorgen voor een meetlat, een afkappunt om te bepalen waar de corona wordt verwarmd. Hun zoektocht beginnen in de grootste lussen die ze konden vinden - gigantische helmstreamers - leek een bescheiden doel, en een die hun kansen op succes zou maximaliseren.

Ze had de beste gegevens voor de klus:foto's gemaakt door NASA's Solar Dynamics Observatory, of SDO, een ruimtevaartuig dat sinds de lancering in 2010 elke twaalf seconden de zon heeft gefotografeerd. Maar na bijna een half jaar zoeken, Mason had nog steeds geen enkele druppel regen in een helmwimpel gezien. Ze had, echter, zag een hele reeks kleine magnetische structuren, die ze niet kende. "Ze waren echt helder en ze bleven mijn aandacht trekken, ' zei Mason. 'Toen ik ze eindelijk bekeek, ja hoor ze hadden tientallen uren regen tegelijk."

Aanvankelijk, Mason was zo gefocust op haar zoektocht naar helmstreamer dat ze niets van de observaties maakte. "Ze kwam naar de groepsbijeenkomst en zei:'Ik heb het nooit gevonden - ik zie het de hele tijd in deze andere structuren, maar het zijn geen helmwimpels, '" zei Nicholas Viall, een zonnewetenschapper bij Goddard, en een co-auteur van het papier. "En ik zei, 'Wacht eens even. Waar zie je het? Ik denk niet dat iemand dat ooit eerder heeft gezien!'"

Een meetlat voor verwarming

Deze structuren verschilden op verschillende manieren van helmwimpels. Maar het meest opvallende aan hen was hun grootte.

"Deze lussen waren veel kleiner dan waar we naar op zoek waren, " zei Spiro Antiochos, die ook een zonnefysicus is bij Goddard en een co-auteur van het artikel. "Dus dat vertelt je dat de opwarming van de corona veel meer gelokaliseerd is dan we dachten."

Hoewel de bevindingen niet precies zeggen hoe de corona wordt verwarmd, "ze duwen de vloer naar beneden waar coronale verwarming zou kunnen plaatsvinden, " zei Mason. Ze had regenlussen gevonden van ongeveer 30, 000 mijl hoog, slechts twee procent van de hoogte van sommige van de helmwimpels waarnaar ze oorspronkelijk op zoek was. En de regen condenseert de regio waar de belangrijkste coronale verwarming kan plaatsvinden. "We weten nog steeds niet precies wat de corona verwarmt, maar we weten dat het in deze laag moet gebeuren, " zei Mason.

Een nieuwe bron voor de trage zonnewind

Maar een deel van de waarnemingen strookte niet met eerdere theorieën. Volgens de huidige inzichten coronale regen vormt zich alleen op gesloten lussen, waar het plasma zich kan verzamelen en afkoelen zonder enige ontsnappingsmogelijkheid. Maar terwijl Mason de gegevens doorzocht, ze vond gevallen waarin zich regen vormde op open magnetische veldlijnen. Verankerd aan de zon aan slechts één uiteinde, het andere uiteinde van deze open veldlijnen stroomde de ruimte in, en plasma daar zou kunnen ontsnappen in de zonnewind. Om de anomalie te verklaren, Mason en het team ontwikkelden een alternatieve verklaring - een die regen op deze kleine magnetische structuren verbond met de oorsprong van de langzame zonnewind.

In de nieuwe uitleg het regenende plasma begint zijn reis in een gesloten lus, maar schakelt - via een proces dat bekend staat als magnetische herverbinding - naar een open proces. Het fenomeen komt vaak voor op de zon, wanneer een gesloten lus tegen een open veldlijn botst en het systeem zichzelf opnieuw bedraden. Plotseling, het oververhitte plasma op de gesloten lus bevindt zich op een open veldlijn, als een trein die van spoor is veranderd. Een deel van dat plasma zal snel uitzetten, afkoelen, en terugvallen naar de zon als coronale regen. Maar andere delen ervan zullen ontsnappen - vormen, zij vermoeden, een deel van de langzame zonnewind.

Mason werkt momenteel aan een computersimulatie van de nieuwe verklaring, maar ze hoopt ook dat binnenkort observationeel bewijs dit kan bevestigen. Nu die Parker Solar Probe, gelanceerd in 2018, dichter bij de zon reist dan enig ruimtevaartuig ervoor, het kan door uitbarstingen van langzame zonnewind vliegen die terug te voeren zijn op de zon - mogelijk, naar een van Mason's coronale regengebeurtenissen. Na het waarnemen van coronale regen op een open veldlijn, het uitgaande plasma, ontsnappen aan de zonnewind, normaal gesproken voor het nageslacht verloren zou gaan. Maar niet langer. "Mogelijk kunnen we die verbinding maken met Parker Solar Probe en zeggen:dat was het, ' zei Viall.

Door de gegevens graven

Wat betreft het vinden van coronale regen in helmwimpels? De zoektocht gaat verder. De simulaties zijn duidelijk:de regen moet er zijn. 'Misschien is het zo klein dat je het niet kunt zien?' zei Antiochos. "We weten het echt niet."

Maar dan opnieuw, als Mason had gevonden wat ze zocht, had ze de ontdekking misschien niet gedaan - of al die tijd besteed aan het leren van de ins en outs van zonnegegevens.

"Het klinkt als een ploeteren, maar eerlijk gezegd is het mijn favoriete ding, "zei Mason. "Ik bedoel, daarom hebben we iets gebouwd dat zoveel foto's van de zon maakt:zodat we ernaar kunnen kijken en erachter komen."