Met bijna de lichtsnelheid door de ruimte ritselend, zonne-energetische deeltjes, of SEP's, zijn een van de belangrijkste uitdagingen voor de toekomst van de bemande ruimtevaart. Wolken van deze kleine zonneprojectielen kunnen de aarde bereiken - een reis van 93 miljoen mijl - in minder dan een uur. Ze kunnen gevoelige elektronica van ruimtevaartuigen braden en vormen ernstige risico's voor menselijke astronauten. Maar hun begin is buitengewoon moeilijk te voorspellen, gedeeltelijk omdat we nog steeds niet precies weten waar ze op de zon vandaan komen.

Een nieuwe studie die drie SEP-uitbarstingen naar de zon traceert, heeft het eerste antwoord opgeleverd.

"We hebben voor het eerst de specifieke bronnen van deze energetische deeltjes kunnen lokaliseren, " zei Stephanie Yardley, ruimtefysicus aan het University College London en co-auteur van het artikel. "Inzicht in de bronregio's en fysieke processen die SEP's produceren, zou kunnen leiden tot een betere voorspelling van deze gebeurtenissen." Studie auteurs David Brooks, ruimtefysicus aan de George Mason University in Washington, gelijkstroom, en Yardley publiceerden hun bevindingen in: wetenschappelijke vooruitgang op 3 maart, 2021.

SEP's kunnen vanuit de zon in elke richting schieten; het vangen van een in de uitgestrektheid van de ruimte is geen geringe prestatie. NASA's Heliophysics System Observatory - een groeiende vloot van ruimtevaartuigen die de zon bestuderen, strategisch geplaatst door het hele zonnestelsel - is gedeeltelijk ontworpen om de kansen op die gelukkige ontmoetingen te vergroten.

Wetenschappers hebben SEP-gebeurtenissen onderverdeeld in twee hoofdtypen:impulsief en geleidelijk. Impulsieve SEP-gebeurtenissen vinden meestal plaats na zonnevlammen, de heldere flitsen op de zon die worden geproduceerd door abrupte magnetische uitbarstingen.

"Er is deze echt scherpe piek, en dan een exponentieel verval met de tijd, " zei Lynn Wilson, projectwetenschapper voor het Wind-ruimtevaartuig bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland.

Geleidelijke SEP's duren langer, soms dagenlang. Ze komen in grote zwermen, waardoor de ontploffing een groter risico vormt voor astronauten en satellieten. Geleidelijke SEP's worden van achteren voortgeduwd door coronale massa-ejecties, of CME's - grote pluimen van zonnemateriaal die als een vloedgolf door de ruimte golfen. De SEP's gedragen zich als surfers, gevangen door die golf en voortgestuwd tot ongelooflijke snelheden.

Het grootste mysterie van geleidelijke SEP's is niet wat ze versnelt, maar waar ze vandaan komen in de eerste plaats. Om redenen die nog steeds niet volledig worden begrepen, SEP's bevatten een andere mix van deeltjes dan het andere zonnemateriaal dat in de zonnewind van de zon afstroomt - minder koolstof, zwavel, en fosforionen, bijvoorbeeld. Sommige wetenschappers vermoeden dat ze uit een heel andere stof zijn gesneden, vormen in een ander kenmerk of laag van de zon dan de rest van de zonnewind.

Om erachter te komen waar SEP's vandaan komen, Brooks en Yardley traceerden geleidelijke SEP-gebeurtenissen van januari 2014 terug naar hun oorsprong op de zon.

Ze begonnen met NASA's Wind-ruimtevaartuig, die om het L1 Lagrange-punt draait, ongeveer 1 miljoen mijl dichter bij de zon dan wij. Een van de acht instrumenten van Wind zijn de energetische deeltjes:versnelling, Samenstelling, en vervoer, of EPACT-instrument, die gespecialiseerd is in het detecteren van SEP's. EPACT heeft op 4 januari drie sterke SEP-explosies vastgelegd, 6e en 8e.

Wind's gegevens toonden aan dat deze SEP-gebeurtenissen inderdaad een specifieke "vingerafdruk" hadden - een andere mix van deeltjes dan typisch wordt gevonden in de zonnewind.

"Er zit vaak minder zwavel in SEP's in vergelijking met de zonnewind, soms een stuk minder", zei Brooks, hoofdauteur van het artikel. "Dit is een unieke vingerafdruk van SEP's waarmee we kunnen zoeken naar plaatsen in de atmosfeer van de zon waar ook zwavel ontbreekt."

Ze wendden zich tot JAXA/NASA's zon-kijkende Hinode-ruimtevaartuig, een observatorium waarin Brooks een cruciale operationele rol vervult voor NASA uit Japan. Hinode keek naar Actieve Regio 11944, een helder gebied met een sterk magnetisch veld met een grote donkere zonnevlek die vanaf de aarde zichtbaar is. AR 11944 had begin januari verschillende grote fakkels en CME's geproduceerd die de waargenomen SEP's door wind vrijgaven en versnelden.

Hinode's Extreme Ultraviolet Imaging Spectrometer, of EIS-instrument, het actieve gebied gescand, het breken van het licht in spectraallijnen die worden gebruikt om specifieke elementen te identificeren. Ze zochten plaatsen in de actieve regio met een bijpassende vingerafdruk, waar de specifieke mix van elementen overeenkwam met wat ze zagen in de gegevens van Wind.

"Dit soort onderzoek is precies waar Hinode voor is ontworpen, " zei Sabrina Savage, de Amerikaanse projectwetenschapper voor Hinode. "Complexe systeemwetenschap kan niet worden gedaan in een bubbel met slechts één missie."

De gegevens van Hinode onthulden de bron van de SEP-gebeurtenissen, maar het was niet wat Brooks of Yardley verwachtten.

Als een regel, de zonnewind kan gemakkelijker ontsnappen door open magnetische veldlijnen te vinden - veldlijnen die aan de ene kant aan de zon zijn verankerd, maar aan de andere kant de ruimte instromen.

"Ik dacht echt dat we het zouden vinden aan de randen van het actieve gebied waar het magnetische veld al open is en materiaal direct kan ontsnappen, " zei Brooks. "Maar de vingerafdruk kwam alleen overeen in regio's waar het magnetische veld nog steeds gesloten is."

De SEP's waren op de een of andere manier losgeraakt van sterke magnetische lussen die aan beide uiteinden met de zon waren verbonden. Deze lussen vangen materiaal op nabij de bovenkant van de chromosfeer, een laag daaronder waar zonnevlammen en coronale massa-ejecties uitbarsten.

"Mensen hebben al nagedacht over manieren waarop het uit een gesloten veld zou kunnen komen, vooral in de context van de zonnewind, "Zei Brooks. "Maar ik denk dat het feit dat het materiaal in de kern van de regio werd gevonden, waar de magnetische velden erg sterk zijn, maakt het moeilijker voor die processen om te werken."

Het verrassende resultaat roept nieuwe vragen op over hoe SEP's aan de zon ontsnappen, vragen rijp voor toekomstig werk. Nog altijd, het lokaliseren van de bron van één gebeurtenis is een grote stap voorwaarts.

"Normaal gesproken, je moet dit soort dingen afleiden - je zou zeggen, 'kijk we zagen een SEP en een zonnevlam, en de SEP kwam waarschijnlijk van de zonnevlam, '" zei Wilson, die niet bij het onderzoek betrokken was. "Maar dit is direct bewijs dat deze twee verschijnselen met elkaar verbindt."

Brooks en Yardley demonstreren ook een manier om NASA's groeiende Heliophysics System Observatory te gebruiken, het combineren van observaties van meerdere ruimtevaartuigen om wetenschap te doen die voorheen niet mogelijk was.

"Het is een manier van denken over alle ruimtevaartuigen die in vlucht zijn en die je kunt gebruiken om een ​​enkele studie te doen, Wilson zei. "Het is alsof je een heleboel weerstations hebt - je begint een veel beter beeld te krijgen van wat het weer op grotere schaal doet, en je kunt actief proberen het te voorspellen."

"Deze auteurs hebben opmerkelijk werk geleverd door de juiste datasets te combineren en toe te passen op de juiste vragen, Savage zei. "De zoektocht naar de oorsprong van potentieel schadelijke energetische deeltjes is dankzij deze inspanning kritisch versmald."