Uitbarstingen van energetische deeltjes die uit de zon razen en de communicatie in de ruimte kunnen verstoren, kunnen nog gevarieerder en talrijker zijn dan eerder werd gedacht, volgens de resultaten van de dichtstbijzijnde vlucht van de zon ooit.

De nieuwe bevindingen, die ons helpen de activiteit van de zon te begrijpen en uiteindelijk een vroege waarschuwing kunnen geven voor zonnestormen, komen uit een van de vier instrumentensuites aan boord van NASA's Parker Solar Probe, een ruimtevaartuig dat zijn eerste passages in de buurt van de vurige bol heeft voltooid. De resultaten van alle vier de suites verschijnen vandaag in een reeks artikelen die in het tijdschrift zijn gepubliceerd Natuur .

De bevinding dat deze energetische deeltjesgebeurtenissen gevarieerder en talrijker zijn dan eerder bekend was een van de vele ontdekkingen die zijn gedaan door de instrumentenreeks die bekend staat als de Integrated Science Investigation of the Sun (ISOIS), een project onder leiding van Princeton University waarbij meerdere instellingen en NASA betrokken zijn.

"Deze studie markeert een belangrijke mijlpaal met de verkenning van de omgeving van de nabije zon door de mensheid, " zei David McComas, de hoofdonderzoeker voor de ISOIS-instrumentensuite, een Princeton hoogleraar astrofysische wetenschappen en de vice-president van het Princeton Plasma Physics Laboratory. "Het biedt de eerste directe waarnemingen van de energetische deeltjesomgeving in het gebied net boven de bovenste atmosfeer van de zon, de corona.

"Het zien van deze observaties was een continu 'eureka-moment', '", zei McComas. "Telkens wanneer we nieuwe gegevens van het ruimtevaartuig ontvangen, we zijn getuige van iets dat niemand ooit eerder heeft gezien. Dat is ongeveer zo goed als het wordt!"

ISOIS probeert erachter te komen hoe de deeltjes zo snel bewegen, en wat hen drijft om te versnellen. De wetenschappers die naar deze antwoorden zoeken, zijn onder meer ISOIS-teamleden van het California Institute of Technology (Caltech), John Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL), NASA Goddard Space Flight Center, NASA Jet Propulsion Laboratory, de Universiteit van New Hampshire, Zuidwest-onderzoeksinstituut, de Universiteit van Delaware en de Universiteit van Arizona, evenals medewerkers aan de Universiteit van Californië-Berkeley, Imperial College Londen, de Universiteit van Michigan, Smithsonian Astrophysical Observatory en het Nationaal Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek in Frankrijk.

Zeer energetische deeltjes kunnen communicatie- en GPS-satellieten (global positioning systems) verstoren. Deze stromen van deeltjes, bestaat voornamelijk uit protonen, twee bronnen hebben. De eerste is van buiten ons zonnestelsel, gegenereerd wanneer exploderende sterren stromen deeltjes vrijgeven die bekend staan ​​​​als kosmische straling. De andere is onze zon. Beide kunnen de elektrische systemen van ruimtevaartuigen beschadigen en zijn vormen van straling die de gezondheid van astronauten kunnen schaden.

Deze energetische deeltjes vliegen veel sneller dan de zonnewind, dat is de stroom van ongeveer een miljoen mijl per uur heet elektrisch geladen gas dat de zon afstoot. Als de zonnewind een stroom was, de energetische deeltjes zouden vissen zijn die eruit springen en voor de stroom uitspringen. De deeltjes reizen langs paden - magnetische fluxbuizen genoemd - die zich uitstrekken van de corona in de zonnewind.

Het begrijpen van deze deeltjes kan de weersvoorspellingen in de ruimte verbeteren en vroegtijdig waarschuwen voor de enorme stormen die aardse communicatie en ruimtevaart kunnen verstoren.

"Het antwoord op vragen over hoe energetische deeltjes zich vormen en versnellen is ongelooflijk belangrijk, " zei Ralph McNutt, die toezicht hield op de bouw van de lagere energie van de twee instrumenten van de suite en hoofdwetenschapper is in de ruimteverkenningssector bij APL. "Deze deeltjes beïnvloeden onze activiteiten op aarde en ons vermogen om onze astronauten de ruimte in te krijgen. We schrijven geschiedenis met deze missie."

Door hun snelheid de deeltjes fungeren als een vroeg waarschuwingssignaal voor ruimteweer, zei Jamey Szalay, een associate research scientist bij de afdeling Astrofysische Wetenschappen van Princeton die de datavisualisatie-inspanningen voor ISOIS leidt. "Deze deeltjes bewegen snel, dus als er een grote zonnestorm op komst is, deze deeltjes zijn de eerste indicatoren."

De meeste eerdere studies van zonne-energetische deeltjes waren gebaseerd op detectoren die zich in de ruimte op ongeveer dezelfde afstand van de zon bevonden als de aarde - 93 miljoen mijl van de zon. Tegen de tijd dat de deeltjes bij die detectoren komen, het is moeilijk te achterhalen waar ze vandaan komen, omdat de deeltjes uit verschillende bronnen een wisselwerking hebben gehad en vermengd zijn.

"Het is een beetje zoals auto's die uit overvolle tunnels en bruggen komen en zich verspreiden over snelwegen, "Zei McComas. "Ze worden sneller als ze weggaan, maar ze worden ook gemengd en werken op een manier met elkaar samen dat het onmogelijk is om te zeggen wie waar vandaan kwam naarmate je verder en verder weg van de bronnen gaat."

Tijdens zijn eerste reizen rond de zon, de Parker Solar Probe reisde twee keer zo dicht bij de zon als elk ander ruimtevaartuig ooit is geweest. Op zijn dichtstbijzijnde, het ruimtevaartuig was 14 miljoen mijl - of 35 zonnestralen, dat is 17,5 breedtes van de zon - vanaf het vurige oppervlak.

Dicht bij de zon komen is essentieel om te ontrafelen hoe deze deeltjes zich vormen en hoge energieën verkrijgen, zei Eric Christian, de plaatsvervangend hoofdonderzoeker op ISOIS en een senior onderzoeker bij NASA Goddard. "Het is alsof je probeert te meten wat er in een berg gebeurt door de voet van de berg te bestuderen. Om te weten wat er gebeurt, je moet gaan waar de actie is:je moet de berg op."

Een mogelijke zorg van de onderzoekers was dat de 11-jarige activiteitscyclus van de zon momenteel op een laag pitje staat. Maar het lage activiteitenniveau bleek een voordeel.

"Het feit dat de zon stil was, stelde ons in staat om gebeurtenissen te analyseren die extreem geïsoleerd zijn, " zei Nathan Schwadron, een professor in de natuurkunde en astronomie en het hoofd van het ISOIS-wetenschappelijk operatiecentrum aan de Universiteit van New Hampshire. "Dit zijn gebeurtenissen die niet van verder weg zijn gezien, omdat ze gewoon worden afgeranseld door de activiteit van de zonnewind."

Tijdens zijn eerste twee banen, ISOIS observeerde verschillende fascinerende fenomenen. Een daarvan was een uitbarsting van energetische deeltjesactiviteit die samenviel met een coronale massa-ejectie, een gewelddadige uitbarsting van bekrachtigde en gemagnetiseerde deeltjes uit de corona. Voorafgaand aan het uitwerpen, ISOIS ontdekte een opeenhoping van relatief laag energetische deeltjes, terwijl er na de uitstoot een opeenhoping van hoogenergetische deeltjes was. Deze gebeurtenissen waren klein en niet waarneembaar vanuit de baan van de aarde.

Een andere observatie van ISOIS was deeltjesactiviteit die wijst op een soort verkeersopstopping door zonnewind, wat gebeurt wanneer de zonnewind plotseling vertraagt, waardoor snel bewegende zonnewind zich erachter opstapelt en een samengeperst gebied van deeltjes vormt. Deze opbouw, die astrofysici een co-roterend interactiegebied noemen, vond plaats buiten de baan van de aarde en stuurde hoogenergetische deeltjes terug naar de zon waar ze werden waargenomen door ISOIS.

Researchers are eager to understand the mechanisms by which the sun accelerates particles to high speeds. ISOIS's detection of each particle's identity—whether it is hydrogen, helium, koolstof, zuurstof, iron or another element—will help researchers further explore this question.

"There are two kinds of acceleration mechanisms, one that occurs in solar flares when magnetic fields reconnect, and another that occurs when you get shocks and compressions of the solar wind, but the details of how they cause particle acceleration are not that well understood, " said Mark Wiedenbeck, a principal scientist at NASA's Jet Propulsion Laboratory, who oversaw the development of the higher energy instrument in the ISOIS suite. "The composition of the particles is a key diagnostic to tell us the acceleration mechanism."

ISOIS made its third brush by the sun on Sept. 1, and will make its next on Jan. 29, 2020. As the mission continues, the satellite will make a total of 24 orbits, each time getting closer to the solar surface, until it is roughly five sun-widths from the star. The researchers hope that future flybys will reveal insights into the source of the energetic particles. Do they start as "seed particles" that go on to attain higher energies?

Jamie Sue Rankin, a postdoctoral researcher at Princeton working in the McComas group, began working on the higher energy ISOIS instrument as a graduate student at Caltech.

"It has been neat to see this whole process develop over the past decade, " Rankin said. "It is like surfing a wave:We built these instruments, made sure they were working, made adjustments to make sure the calibrations were right—and now comes the exciting part, answering the questions that we set out to address.

"With any spacecraft, when you go out into space, you think you know what to expect, but there are always wonderful surprises that complicate our lives in the best way, " she said. "That is what keeps us doing what we do."