In augustus 2018, NASA's Parker Solar Probe gelanceerd naar de ruimte, binnenkort het ruimtevaartuig dat het dichtst bij de zon staat. Met geavanceerde wetenschappelijke instrumenten om de omgeving rond het ruimtevaartuig te meten, Parker Solar Probe heeft drie van de 24 geplande passages voltooid door nooit eerder verkende delen van de atmosfeer van de zon, de corona. Op 4 december 2019, vier nieuwe artikelen in het tijdschrift Natuur beschrijven wat wetenschappers hebben geleerd van deze ongekende verkenning van onze ster - en waar ze naar uitkijken om daarna te leren.

Deze bevindingen onthullen nieuwe informatie over het gedrag van het materiaal en de deeltjes die van de zon wegsnellen, wetenschappers dichter bij het beantwoorden van fundamentele vragen over de fysica van onze ster brengen. In de zoektocht om astronauten en technologie in de ruimte te beschermen, de informatie die Parker heeft ontdekt over hoe de zon constant materiaal en energie uitwerpt, zal wetenschappers helpen de modellen te herschrijven die we gebruiken om het ruimteweer rond onze planeet te begrijpen en te voorspellen en het proces te begrijpen waarmee sterren worden gemaakt en evolueren.

"Deze eerste gegevens van Parker onthullen onze ster, de zon, op nieuwe en verrassende manieren, " zei Thomas Zurbuchen, associate administrator voor wetenschap op het NASA-hoofdkwartier in Washington. "Door de zon van dichtbij te observeren in plaats van van een veel grotere afstand, krijgen we een ongekend inzicht in belangrijke zonnefenomenen en hoe ze ons op aarde beïnvloeden, en geeft ons nieuwe inzichten die relevant zijn voor het begrip van actieve sterren in sterrenstelsels. Het is nog maar het begin van een ongelooflijk opwindende tijd voor heliofysica met Parker in de voorhoede van nieuwe ontdekkingen."

Hoewel het ons hier op aarde misschien rustig lijkt, de zon is allesbehalve stil. Onze ster is magnetisch actief, krachtige uitbarstingen van licht ontketenen, stortvloeden van deeltjes die met de snelheid van het licht bewegen en wolken van miljarden ton gemagnetiseerd materiaal. Al deze activiteit heeft invloed op onze planeet, schadelijke deeltjes injecteren in de ruimte waar onze satellieten en astronauten vliegen, het verstoren van communicatie- en navigatiesignalen, en zelfs - wanneer intens - het veroorzaken van stroomuitval. Het gebeurt al gedurende de hele levensduur van de zon, 5 miljard jaar, en zal in de toekomst het lot van de aarde en de andere planeten in ons zonnestelsel blijven bepalen.

"De zon heeft de mensheid gefascineerd voor ons hele bestaan, " zei Nour E. Raouafi, projectwetenschapper voor Parker Solar Probe bij het Johns Hopkins Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland, die de missie voor NASA heeft gebouwd en beheert. "We hebben de afgelopen decennia veel geleerd over onze ster, maar we hadden echt een missie als Parker Solar Probe nodig om de atmosfeer van de zon in te gaan. Alleen daar kunnen we de details van deze complexe zonneprocessen echt leren. En wat we alleen al in deze drie banen om de zon hebben geleerd, heeft veel veranderd van wat we weten over de zon."

Wat er op de zon gebeurt, is van cruciaal belang om te begrijpen hoe deze de ruimte om ons heen vormt. Het meeste materiaal dat aan de zon ontsnapt, maakt deel uit van de zonnewind, een voortdurende uitstroom van zonnemateriaal dat het hele zonnestelsel baadt. Dit geïoniseerde gas, plasma genoemd, draagt ​​het magnetische veld van de zon met zich mee, het strekt zich uit door het zonnestelsel in een gigantische bel die meer dan 10 miljard mijl omspant.

De dynamische zonnewind

Waargenomen in de buurt van de aarde, de zonnewind is een relatief uniforme stroom plasma, met af en toe turbulente buien. Maar op dat moment heeft het meer dan negentig miljoen mijl afgelegd - en de handtekeningen van de exacte mechanismen van de zon voor het verwarmen en versnellen van de zonnewind zijn weggevaagd. Dichter bij de bron van de zonnewind, Parker Solar Probe zag een heel ander beeld:een ingewikkeld, actief systeem.

"De complexiteit was verbluffend toen we voor het eerst naar de gegevens begonnen te kijken, " zei Stuart Bale, de Universiteit van Californië, Berkeley, lead voor de FIELDS-instrumentensuite van Parker Solar Probe, die de schaal en vorm van elektrische en magnetische velden bestudeert. "Nutsvoorzieningen, Ik ben eraan gewend geraakt. Maar als ik mijn collega's voor het eerst laat zien, ze zijn gewoon weggeblazen." Vanaf Parker's uitkijkpunt 15 miljoen mijl van de zon, Bale legde uit, de zonnewind is veel impulsiever en onstabieler dan wat we in de buurt van de aarde zien.

Net als de zon zelf, de zonnewind bestaat uit plasma, waar negatief geladen elektronen zijn gescheiden van positief geladen ionen, het creëren van een zee van vrij zwevende deeltjes met individuele elektrische lading. Deze vrij zwevende deeltjes zorgen ervoor dat plasma elektrische en magnetische velden draagt, en veranderingen in het plasma maken vaak sporen op die velden. De FIELDS-instrumenten onderzochten de toestand van de zonnewind door te meten en zorgvuldig te analyseren hoe de elektrische en magnetische velden rond het ruimtevaartuig in de loop van de tijd veranderden, samen met meetgolven in het nabijgelegen plasma.

Deze metingen toonden snelle omkeringen in het magnetische veld en plotselinge, sneller bewegende materiaalstralen - allemaal eigenschappen die de zonnewind turbulenter maken. Deze details zijn essentieel om te begrijpen hoe de wind energie verspreidt terwijl deze wegstroomt van de zon en door het zonnestelsel.

Eén type gebeurtenis trok in het bijzonder de aandacht van de wetenschappelijke teams:flips in de richting van het magnetische veld, die uit de zon stroomt, ingebed in de zonnewind. Deze omkeringen, ook wel 'switchbacks' genoemd, duren enkele seconden tot enkele minuten terwijl ze over Parker Solar Probe stromen. Tijdens een omschakeling, het magnetische veld slaat terug op zichzelf totdat het bijna direct terug naar de zon is gericht. Samen, VELDEN en SWEAP, de suite voor zonnewindinstrumenten onder leiding van de Universiteit van Michigan en beheerd door het Smithsonian Astrophysical Observatory, gemeten clusters van haarspeldbochten tijdens de eerste twee flybys van Parker Solar Probe.

"Vanaf het begin van het ruimtetijdperk zijn er golven gezien in de zonnewind, en we namen aan dat dichter bij de zon de golven sterker zouden worden, maar we hadden niet verwacht dat ze zich zouden organiseren in deze coherente gestructureerde snelheidspieken, " zei Justin Kasper, hoofdonderzoeker voor SWEAP - een afkorting van Solar Wind Electrons Alphas and Protons - aan de Universiteit van Michigan in Ann Arbor. "We detecteren overblijfselen van structuren van de zon die de ruimte in worden geslingerd en de organisatie van de stromen en het magnetische veld met geweld veranderen. Dit zal onze theorieën over hoe de corona en zonnewind worden verwarmd drastisch veranderen."

De exacte bron van de haarspeldbochten is nog niet begrepen, maar dankzij de metingen van Parker Solar Probe hebben wetenschappers de mogelijkheden kunnen beperken.

Onder de vele deeltjes die voortdurend van de zon stromen, bevindt zich een constante straal van snel bewegende elektronen, die langs de magnetische veldlijnen van de zon het zonnestelsel in rijden. Deze elektronen stromen altijd strikt langs de vorm van de veldlijnen die uit de zon komen, ongeacht of de noordpool van het magnetische veld in dat specifieke gebied naar of van de zon af wijst. Maar Parker Solar Probe heeft deze elektronenstroom in de tegenovergestelde richting gemeten, terugdraaien naar de zon - wat aantoont dat het magnetische veld zelf terug moet buigen naar de zon, in plaats van dat Parker Solar Probe alleen een andere magnetische veldlijn van de zon tegenkomt die in de tegenovergestelde richting wijst. Dit suggereert dat de haarspeldbochten knikken zijn in het magnetische veld - gelokaliseerde verstoringen die wegtrekken van de zon, in plaats van een verandering in het magnetische veld als het uit de zon komt.

De observaties van Parker Solar Probe van de haarspeldbochten suggereren dat deze gebeurtenissen nog vaker zullen voorkomen naarmate het ruimtevaartuig dichter bij de zon komt. De volgende zonne-ontmoeting van de missie op 29 januari, 2020, zal het ruimtevaartuig dichter bij de zon brengen dan ooit tevoren, en kan een nieuw licht op dit proces werpen. Dergelijke informatie helpt niet alleen ons begrip van de oorzaken van de zonnewind en het ruimteweer om ons heen te veranderen, het helpt ons ook een fundamenteel proces te begrijpen van hoe sterren werken en hoe ze energie afgeven aan hun omgeving.

De roterende zonnewind

Sommige metingen van Parker Solar Probe brengen wetenschappers dichter bij de antwoorden op decennia-oude vragen. Een van die vragen gaat over hoe, precies, de zonnewind stroomt van de zon.

In de buurt van de aarde, we zien de zonnewind bijna radiaal stromen - wat betekent dat hij rechtstreeks van de zon stroomt, direct alle kanten op. Maar de zon draait terwijl hij de zonnewind loslaat; voordat het losbarst, de zonnewind draaide mee. Dit is een beetje zoals kinderen die op een speelparkcarrousel rijden - de atmosfeer roteert met de zon net zoals het buitenste deel van de carrousel roteert, maar hoe verder je van het centrum gaat, hoe sneller je in de ruimte beweegt. Een kind op de rand kan eraf springen en zou, op dat punt, in een rechte lijn naar buiten bewegen, in plaats van te blijven draaien. Op een soortgelijke manier, er is een punt tussen de zon en de aarde, de zonnewind gaat over van meedraaien met de zon naar direct naar buiten stromen, of radiaal, zoals we vanaf de aarde zien.

Precies waar de zonnewind overgaat van een roterende stroming naar een perfect radiale stroming, heeft gevolgen voor de manier waarop de zon energie afwerpt. Het vinden van dat punt kan ons helpen de levenscyclus van andere sterren of de vorming van protoplanetaire schijven beter te begrijpen, de dichte schijven van gas en stof rond jonge sterren die uiteindelijk samensmelten tot planeten.

Nutsvoorzieningen, voor het eerst - in plaats van alleen die rechte stroom te zien die we in de buurt van de aarde zien - kon Parker Solar Probe de zonnewind waarnemen terwijl deze nog steeds ronddraaide. Het is alsof Parker Solar Probe voor het eerst direct zicht heeft op de wervelende carrousel, niet alleen de kinderen die eraf springen. Het zonnewindinstrument van Parker Solar Probe heeft een rotatie gedetecteerd vanaf meer dan 20 miljoen mijl van de zon. en toen Parker zijn perihelium naderde, de rotatiesnelheid nam toe. De kracht van de circulatie was sterker dan veel wetenschappers hadden voorspeld, maar het ging ook sneller over dan voorspeld naar een uitgaande stroom, dat is wat helpt deze effecten te maskeren van waar we gewoonlijk zitten, ongeveer 93 miljoen mijl van de zon.

"De grote rotatiestroom van de zonnewind die tijdens de eerste ontmoetingen werd gezien, was een echte verrassing, " zei Kasper. "Hoewel we hoopten uiteindelijk de rotatiebeweging dichter bij de zon te zien, de hoge snelheden die we bij deze eerste ontmoetingen zien, zijn bijna tien keer groter dan voorspeld door de standaardmodellen."

Stof in de buurt van de zon

Een andere vraag die een antwoord nadert, is de ongrijpbare stofvrije zone. Ons zonnestelsel is overspoeld met stof - de kosmische kruimels van botsingen die planeten vormden, asteroïden, kometen en andere hemellichamen miljarden jaren geleden. Wetenschappers vermoeden al lang dat dicht bij de zon, dit stof zou door krachtig zonlicht tot hoge temperaturen worden verhit, het in een gas veranderen en een stofvrij gebied rond de zon creëren. Maar niemand had het ooit opgemerkt.

Voor de eerste keer, De camera's van Parker Solar Probe zagen het kosmische stof dunner worden. Omdat WISPR, het beeldvormingsinstrument van Parker Solar Probe, geleid door het Naval Research Lab - kijkt uit de zijkant van het ruimtevaartuig, het kan brede banen van de corona en zonnewind zien, including regions closer to the Sun. These images show dust starting to thin a little over 7 million miles from the Sun, and this decrease in dust continues steadily to the current limits of WISPR's measurements at a little over 4 million miles from the Sun.

"This dust-free zone was predicted decades ago, but has never been seen before, " said Russ Howard, principal investigator for the WISPR suite—short for Wide-field Imager for Solar Probe—at the Naval Research Laboratory in Washington, D.C. "We are now seeing what's happening to the dust near the Sun."

At the rate of thinning, scientists expect to see a truly dust-free zone starting a little more than 2-3 million miles from the Sun—meaning Parker Solar Probe could observe the dust-free zone as early as 2020, when its sixth flyby of the Sun will carry it closer to our star than ever before.

Putting space weather under a microscope

Parker Solar Probe's measurements have given us a new perspective on two types of space weather events:energetic particle storms and coronal mass ejections.

Tiny particles—both electrons and ions—are accelerated by solar activity, creating storms of energetic particles. Events on the Sun can send these particles rocketing out into the solar system at nearly the speed of light, meaning they reach Earth in under half an hour and can impact other worlds on similarly short time scales. These particles carry a lot of energy, so they can damage spacecraft electronics and even endanger astronauts, especially those in deep space, outside the protection of Earth's magnetic field—and the short warning time for such particles makes them difficult to avoid.

Understanding exactly how these particles are accelerated to such high speeds is crucial. But even though they zip to Earth in as little as a few minutes, that's still enough time for the particles to lose the signatures of the processes that accelerated them in the first place. By whipping around the Sun at just a few million miles away, Parker Solar Probe can measure these particles just after they've left the Sun, shedding new light on how they are released.

Nu al, Parker Solar Probe's ISʘIS instruments, led by Princeton University, have measured several never-before-seen energetic particle events—events so small that all trace of them is lost before they reach Earth or any of our near-Earth satellites. These instruments have also measured a rare type of particle burst with a particularly high number of heavier elements—suggesting that both types of events may be more common than scientists previously thought.

"It's amazing—even at solar minimum conditions, the Sun produces many more tiny energetic particle events than we ever thought, " said David McComas, principal investigator for the Integrated Science Investigation of the Sun suite, or ISʘIS, at Princeton University in New Jersey. "These measurements will help us unravel the sources, acceleration, and transport of solar energetic particles and ultimately better protect satellites and astronauts in the future."

Data from the WISPR instruments also provided unprecedented detail on structures in the corona and solar wind—including coronal mass ejections, billion-ton clouds of solar material that the Sun sends hurtling out into the solar system. CMEs can trigger a range of effects on Earth and other worlds, from sparking auroras to inducing electric currents that can damage power grids and pipelines. WISPR's unique perspective, looking alongside such events as they travel away from the Sun, has already shed new light on the range of events our star can unleash.

"Since Parker Solar Probe was matching the Sun's rotation, we could watch the outflow of material for days and see the evolution of structures, " said Howard. "Observations near Earth have made us think that fine structures in the corona segue into a smooth flow, and we're finding out that's not true. This will help us do better modeling of how events travel between the Sun and Earth."

As Parker Solar Probe continues on its journey, it will make 21 more close approaches to the Sun at progressively closer distances, culminating in three orbits a mere 3.83 million miles from the solar surface.

"The Sun is the only star we can examine this closely, " zei Nicola Vos, directeur van de Heliophysics Division op het NASA-hoofdkwartier. "Getting data at the source is already revolutionizing our understanding of our own star and stars across the universe. Our little spacecraft is soldiering through brutal conditions to send home startling and exciting revelations."

Data from Parker Solar Probe's first two solar encounters is available to the public online.

Parker Solar Probe is part of NASA's Living with a Star program to explore aspects of the Sun-Earth system that directly affect life and society. The Living with a Star program is managed by the agency's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, for NASA's Science Mission Directorate in Washington. Johns Hopkins APL designed, built and operates the spacecraft.