Toen NASA's Parker Solar Probe de eerste waarnemingen van zijn reis naar de zon terugstuurde, wetenschappers vonden tekenen van een wilde oceaan van stromingen en golven die heel anders was dan de nabije aarde, veel dichter bij onze planeet. Deze oceaan was bezaaid met wat bekend werd als haarspeldbochten:snelle schommelingen in het magnetische veld van de zon die van richting veranderden als een zigzaggende bergweg.

Wetenschappers denken dat het samenvoegen van het verhaal van haarspeldbochten een belangrijk onderdeel is van het begrijpen van de zonnewind, de constante stroom van geladen deeltjes die van de zon komt. De zonnewind raast door het zonnestelsel, het vormgeven van een enorm ruimteweersysteem, die we regelmatig bestuderen vanuit verschillende gezichtspunten rond het zonnestelsel, maar we hebben nog steeds fundamentele vragen over hoe de zon er in eerste instantie in slaagt om deze windstoot van twee miljoen mijl per uur uit te schieten.

Zonnefysici weten al lang dat de zonnewind in twee smaken komt:de snelle wind, die ongeveer 430 mijl per seconde reist, en de langzame wind, die dichter bij 220 mijl per seconde reist. De snelle wind komt meestal uit coronale gaten, donkere vlekken op de zon vol open magnetisch veld. Langzamere wind komt op uit delen van de zon waar open en gesloten magnetische velden zich vermengen. Maar er is nog veel dat we moeten leren over wat de zonnewind aandrijft, en wetenschappers vermoeden dat haarspeldbochten - snelle stralen van zonnemateriaal die erdoorheen zijn gepeperd - aanwijzingen bevatten voor de oorsprong ervan.

Sinds hun ontdekking, switchbacks hebben geleid tot een stortvloed van studies en wetenschappelijk debat terwijl onderzoekers proberen uit te leggen hoe de magnetische pulsen worden gevormd.

"Dit is het wetenschappelijke proces in actie, " zei Kelly Korreck, Heliofysica-programmawetenschapper op het NASA-hoofdkwartier. "Er zijn verschillende theorieën, en naarmate we meer en meer gegevens krijgen om die theorieën te testen, we komen dichter bij het uitzoeken van haarspeldbochten en hun rol in de zonnewind."

Magnetisch vuurwerk

Aan de ene kant van het debat:een groep onderzoekers die denken dat haarspeldbochten het gevolg zijn van een dramatische magnetische explosie die plaatsvindt in de atmosfeer van de zon.

Tekenen van wat we nu switchbacks noemen, werden voor het eerst waargenomen door de gezamenlijke NASA-European Space Agency-missie Ulysses, het eerste ruimtevaartuig dat over de polen van de zon vloog. Maar toen de gegevens decennia later uit de Parker Solar Probe stroomden, wetenschappers waren verrast om er zoveel te vinden.

Terwijl de zon draait en zijn oververhitte gassen karnen, magnetische velden migreren rond onze ster. Sommige magnetische veldlijnen zijn open, als linten die wapperen in de wind. Andere zijn gesloten, met beide uiteinden of "voetpunten" verankerd in de zon, lussen vormen die met verzengend heet zonnemateriaal lopen. Eén theorie - aanvankelijk voorgesteld in 1996 op basis van Ulysses-gegevens - suggereert dat switchbacks het resultaat zijn van een botsing tussen open en gesloten magnetische velden. Een analyse die vorig jaar werd gepubliceerd door wetenschappers Justin Kasper en Len Fisk van de Universiteit van Michigan, onderzoekt de 20 jaar oude theorie verder.

Wanneer een open magnetische veldlijn langs een gesloten magnetische lus strijkt, ze kunnen herconfigureren in een proces dat uitwisselingsherverbinding wordt genoemd - een explosieve herschikking van de magnetische velden die leidt tot een switchback-vorm. "Magnetische herverbinding is een beetje zoals een schaar en een soldeerpistool gecombineerd in één, " zei Gary Zank, een zonnefysicus aan de Universiteit van Alabama Huntsville. De open lijn klikt op de gesloten lus, een hete uitbarsting van plasma uit de lus snijden, terwijl de twee velden in een nieuwe configuratie worden "gelijmd". Die plotselinge klik werpt een S-vormige knik in de open magnetische veldlijn voordat de lus opnieuw sluit - een beetje zoals, bijvoorbeeld, de manier waarop een snelle ruk van de hand een S-vormige golf zal sturen die langs een touw reist.

Andere onderzoekspapers hebben gekeken naar hoe haarspeldbochten vorm krijgen na het vuurwerk van heraansluiting. Vaak, dit betekent het bouwen van wiskundige simulaties, en vervolgens de door de computer gegenereerde switchbacks vergelijken met Parker Solar Probe-gegevens. Als ze een goede match zijn, de fysica die is gebruikt om de modellen te maken, kan met succes helpen de echte fysica van haarspeldbochten te beschrijven.

Zank leidde de ontwikkeling van het eerste switchbacks-model. Zijn model suggereert niet één, maar tijdens het opnieuw verbinden worden twee magnetische zwepen geboren:de ene reist naar het zonneoppervlak en de andere ritst de zonnewind in. Als een elektrische draad gemaakt van een bundel kleinere draden, elke magnetische lus is gemaakt van vele magnetische veldlijnen. "Wat er gebeurt is, elk van deze afzonderlijke draden wordt opnieuw aangesloten, dus je produceert een hele reeks haarspeldbochten in korte tijd, ' zei Zank.

Zank en zijn team modelleerden de allereerste switchback die Parker Solar Probe heeft waargenomen, op 6 november, 2018. Dit eerste model paste goed bij de waarnemingen, het team aanmoedigen om het verder te ontwikkelen. De resultaten van het team werden op 26 oktober gepubliceerd in The Astrophysical Journal, 2020.

Een andere groep wetenschappers, onder leiding van de natuurkundige James Drake van de Universiteit van Maryland, stemt in met de import van uitwisselingsheraansluiting. Maar ze verschillen als het gaat om de aard van switchbacks zelf. Waar anderen zeggen dat switchbacks een knik zijn in een magnetische veldlijn, Drake en zijn team suggereren dat wat Parker waarneemt de handtekening is van een soort magnetische structuur, een fluxkabel genoemd.

In Drake's simulaties, de knik in het veld reisde niet erg ver voordat hij uitsloeg. "Magnetische veldlijnen zijn als elastiekjes, ze springen graag terug naar hun oorspronkelijke vorm, " legde hij uit. Maar de wetenschappers wisten dat de haarspeldbochten stabiel genoeg moesten zijn om naar de plek te reizen waar Parker Solar Probe ze kon zien. Aan de andere kant, fluxkabels - waarvan wordt gedacht dat ze de kerncomponenten zijn van veel zonne-uitbarstingen - zijn steviger. Stel je een magnetisch gestreept snoepgoed voor. Dat is een fluxkabel:stroken magnetisch veld gewikkeld rond een bundel van meer magnetisch veld.

Drake en zijn team denken dat fluxkabels een belangrijk onderdeel kunnen zijn van het verklaren van haarspeldbochten, omdat ze stabiel genoeg moeten zijn om naar de plaats te reizen waar Parker Solar Probe ze heeft waargenomen. Hun studie—gepubliceerd in Astronomie en astrofysica op 8 oktober 2020 - legt de basis voor het bouwen van een op fluxkabel gebaseerd model om de oorsprong van haarspeldbochten te beschrijven.

Wat deze wetenschappers gemeen hebben, is dat ze denken dat magnetische herverbinding niet alleen kan verklaren hoe haarspeldbochten ontstaan, maar ook hoe de zonnewind wordt verwarmd en uit de zon slingert. Vooral, haarspeldbochten zijn gekoppeld aan de langzame zonnewind. Elke switchback schiet een klodder heet plasma de ruimte in. "Dus we vragen "Als je al die uitbarstingen bij elkaar optelt, kunnen ze bijdragen aan het genereren van de zonnewind?'" zei Drake.

Meegaan met de stroom

Aan de andere kant van het debat staan ​​wetenschappers die geloven dat haarspeldbochten ontstaan ​​in de zonnewind, als een bijproduct van turbulente krachten die het opschudden.

Jonathan schildknaap, ruimtefysicus aan de Nieuw-Zeelandse Universiteit van Otago, is een van hen. Met behulp van computersimulaties, hij bestudeerde hoe kleine fluctuaties in de zonnewind zich in de loop van de tijd ontwikkelden. "Wat we doen is proberen een klein stukje plasma te volgen terwijl het naar buiten beweegt, ' zei Squire.

Elk pakketje zonnewind zet uit als het aan de zon ontsnapt, opblazen als een ballon. Golven die over de zon golven, creëren kleine rimpelingen in dat plasma, rimpelingen die geleidelijk groeien naarmate de zonnewind zich verspreidt.

"Ze beginnen eerst als wiebelen, maar wat we dan zien is dat ze nog verder groeien, ze veranderen in haarspeldbochten, "Zei Squire. "Daarom vinden we het een behoorlijk overtuigend idee - het gebeurde gewoon vanzelf in het model." Het team hoefde geen gissingen over nieuwe fysica in hun modellen op te nemen - de switchbacks leken gebaseerd op redelijk overeengekomen... op zonnewetenschap.

Het model van de schildknaap, gepubliceerd op 26 februari, 2020, suggereert dat er op natuurlijke wijze haarspeldbochten ontstaan ​​als de zonnewind zich uitbreidt in de ruimte. Delen van de zonnewind die sneller uitzetten, hij voorspelt, zou ook meer haarspeldbochten moeten hebben - een voorspelling die al kan worden getest met de nieuwste Parker-dataset.

Andere onderzoekers zijn het erover eens dat haarspeldbochten beginnen in de zonnewind, maar vermoed dat ze ontstaan ​​wanneer snelle en langzame stromen van zonnewind tegen elkaar wrijven. Een onderzoek van oktober 2020, geleid door Dave Ruffolo aan de Mahidol University in Bangkok, Thailand, schetste dit idee.

Bill Mattheus, een co-auteur van de papier- en ruimtefysicus aan de Universiteit van Delaware in Newark, wijst op de afschuiving op de grens tussen snelle en langzame stromen. Deze afschuiving tussen snel en langzaam creëert karakteristieke wervelingen die overal in de natuur te zien zijn, zoals de wervelingen die zich vormen als rivierwater rond een rots stroomt. Hun modellen suggereren dat deze wervelingen uiteindelijk haarspeldbochten worden, de magnetische veldlijnen op zichzelf krullen.

Maar de wervelingen vormen zich niet onmiddellijk - de zonnewind moet behoorlijk snel bewegen voordat hij zijn anders starre magnetische veldlijnen kan buigen. De zonnewind bereikt deze snelheid ongeveer 8,5 miljoen mijl van de zon. De belangrijkste voorspelling van Mattheaus is dat wanneer Parker aanzienlijk dichter bij de zon komt dan dat - wat zou moeten gebeuren tijdens zijn volgende close-pass op 6,5 miljoen mijl van de zon, op 29 april, 2021 - de haarspeldbochten zouden moeten verdwijnen.

"Als dit de oorsprong is, als Parker naar de onderste corona gaat, kan deze afschuiving niet plaatsvinden, ' zei Matthew. 'Dus, de haarspeldbochten veroorzaakt door het fenomeen dat we beschrijven zouden moeten verdwijnen."

Een aspect van haarspeldbochten dat deze zonnewindmodellen nog niet met succes hebben gesimuleerd, is het feit dat ze de neiging hebben sterker te zijn wanneer ze in een bepaalde richting draaien - dezelfde richting van de rotatie van de zon. Echter, beide simulaties zijn gemaakt met een zon die stil stond, niet roterend, die het verschil kunnen maken. Voor deze modelbouwers het opnemen van de werkelijke rotatie van de zon is de volgende stap.

Draaien in de wind

Eindelijk, sommige wetenschappers denken dat switchbacks voortkomen uit beide processen, beginnend met herverbinding of voetpuntbeweging op de zon, maar groeien pas in hun definitieve vorm zodra ze in de zonnewind komen. Een artikel dat vandaag is gepubliceerd door Nathan Schwadron en David McComas, ruimtefysici aan de University of New Hampshire en Princeton University, respectievelijk, neemt deze benadering over, met het argument dat haarspeldbochten ontstaan ​​​​wanneer stromen van snelle en langzame zonnewind zich opnieuw afstemmen op hun wortels.

Na deze herschikking belandt snelle wind "achter" langzame wind, op dezelfde magnetische veldlijn. (Stel je een groep joggers voor op een racebaan, Olympische sprinters op de hielen.) Dit kan in elk geval gebeuren waar langzame en snelle wind elkaar ontmoeten, maar vooral aan de randen van coronale gaten, waar snelle zonnewind wordt geboren. Terwijl coronale gaten over de zon migreren, kruipend onder stromen van langzamere zonnewind, het voetpunt van de langzame zonnewind sluit aan op een bron van snelle wind. Snelle zonnewind racet achter de langzamere stroom aan. Uiteindelijk haalt de snelle wind de langzamere wind in, het omkeren van de magnetische veldlijn en het vormen van een terugslag.

Schwadron denkt dat de beweging van coronale gaten en van zonnewindbronnen over de zon ook een belangrijk puzzelstukje is. Opnieuw aansluiten aan de voorrand van coronale gaten, hij stelt voor, zou kunnen verklaren waarom haarspeldbochten de neiging hebben om te "ziggen" op een manier die is uitgelijnd met de rotatie van de zon.

"Het feit dat deze op deze specifieke manier zijn georiënteerd, vertelt ons iets heel fundamenteels, ', zei Schwadron.

Hoewel het begint met de zon, Schwadron en McComas denken dat die opnieuw verbindende stromen alleen maar haarspeldbochten worden binnen de zonnewind, waar de magnetische veldlijnen van de zon flexibel genoeg zijn om op zichzelf terug te keren.

Terwijl Parker Solar Probe steeds dichter bij de zon komt, wetenschappers zullen gretig op zoek gaan naar aanwijzingen die hun theorieën zullen ondersteunen of ontkrachten. "Er doen verschillende ideeën de ronde, "Zei Zank. "Uiteindelijk komt er iets uit."