Met gegevens van de dichtstbijzijnde doorgang van de zon tot nu toe, heeft het ESA/NASA Solar Orbiter-ruimtevaartuig overtuigende aanwijzingen gevonden over de oorsprong van magnetische haarspeldbochten en wijst het erop hoe hun fysieke vormingsmechanisme de zonnewind zou kunnen helpen versnellen.

Solar Orbiter heeft de eerste waarneming met teledetectie ooit gemaakt die consistent is met een magnetisch fenomeen dat een zonneterugslag wordt genoemd - plotselinge en grote afbuigingen van het magnetische veld van de zonnewind. De nieuwe waarneming geeft een volledig beeld van de structuur en bevestigt in dit geval dat het een S-vormig karakter heeft, zoals voorspeld. Bovendien geeft het globale perspectief van de Solar Orbiter-gegevens aan dat deze snel veranderende magnetische velden hun oorsprong nabij het oppervlak van de zon kunnen hebben.

Hoewel een aantal ruimtevaartuigen al eerder door deze raadselachtige gebieden is gevlogen, laten in-situgegevens slechts een meting op een enkel punt en tijdstip toe. Dientengevolge moeten de structuur en vorm van de switchback worden afgeleid uit plasma- en magnetische veldeigenschappen die op een bepaald punt zijn gemeten.

Toen de Duits-Amerikaanse Helios 1 en 2 ruimtevaartuigen in het midden van de jaren zeventig dicht bij de zon vlogen, registreerden beide sondes plotselinge omkeringen van het magnetische veld van de zon. Deze mysterieuze omkeringen waren altijd abrupt en altijd tijdelijk, van enkele seconden tot een aantal uren voordat het magnetische veld terugkeerde naar zijn oorspronkelijke richting.

Deze magnetische structuren werden eind jaren negentig ook op veel grotere afstanden van de zon onderzocht door het ruimtevaartuig Ulysses. In plaats van een derde van de baanradius van de aarde vanaf de zon, waar de Helios-missies het dichtst bij kwamen, opereerde Ulysses meestal buiten de baan van de aarde.

Hun aantal steeg dramatisch met de komst van NASA's Parker Solar Probe in 2018. Dit gaf duidelijk aan dat de plotselinge omkeringen van het magnetische veld talrijker zijn dicht bij de zon, en leidde tot de suggestie dat ze werden veroorzaakt door S-vormige knikken in het magnetische veld . Door dit raadselachtige gedrag kreeg het fenomeen de naam haarspeldbochten. Er werden een aantal ideeën voorgesteld over hoe deze zich zouden kunnen vormen.

Op 25 maart 2022 was Solar Orbiter slechts een dag verwijderd van een korte passage van de zon - waardoor hij in de baan van planeet Mercurius kwam - en zijn Metis-instrument nam gegevens op. Metis blokkeert de felle schittering van het licht van het oppervlak van de zon en maakt foto's van de buitenste atmosfeer van de zon, de corona. De deeltjes in de corona zijn elektrisch geladen en volgen de magnetische veldlijnen van de zon de ruimte in. De elektrisch geladen deeltjes zelf worden een plasma genoemd.

Rond 20:39 UT nam Metis een beeld op van de zonnecorona die een vervormde S-vormige knik in het coronale plasma liet zien. Voor Daniele Telloni, National Institute for Astrophysics–Astrophysical Observatory of Torino, Italië, leek het verdacht veel op een zonne-terugslag.

Toen hij de Metis-opname, die in zichtbaar licht was genomen, vergeleek met een gelijktijdige opname gemaakt door het Extreme Ultraviolet Imager (EUI)-instrument van Solar Orbiter, zag hij dat de kandidaat-switchback plaatsvond boven een actief gebied dat is gecatalogiseerd als AR 12972. Actieve regio's zijn geassocieerd met zonnevlekken en magnetische activiteit. Nadere analyse van de Metis-gegevens toonde aan dat de snelheid van het plasma boven dit gebied erg laag was, zoals zou worden verwacht van een actief gebied dat zijn opgeslagen energie nog moet vrijgeven.

Daniele dacht meteen dat dit leek op een genererend mechanisme voor de haarspeldbochten voorgesteld door prof. Gary Zank, Universiteit van Alabama in Huntsville, VS. De theorie keek naar de manier waarop verschillende magnetische regio's nabij het oppervlak van de zon op elkaar inwerken.

Dicht bij de zon, en vooral boven actieve gebieden, zijn er open en gesloten magnetische veldlijnen. De gesloten lijnen zijn lussen van magnetisme die omhoog komen in de zonneatmosfeer voordat ze ronddraaien en weer in de zon verdwijnen. Boven deze veldlijnen kan heel weinig plasma de ruimte in ontsnappen en daarom is de snelheid van de zonnewind hier meestal laag. Open veldlijnen zijn omgekeerd, ze komen van de zon en staan ​​in verbinding met het interplanetaire magnetische veld van het zonnestelsel. Het zijn magnetische snelwegen waarlangs het plasma vrij kan stromen en die aanleiding geven tot de snelle zonnewind.

Daniele en Gary hebben bewezen dat switchbacks optreden wanneer er een interactie is tussen een gebied van open veldlijnen en een gebied van gesloten veldlijnen. Naarmate de veldlijnen samenkomen, kunnen ze zich opnieuw verbinden tot stabielere configuraties. Dit is vergelijkbaar met het slaan van een zweep, maar hierdoor komt energie vrij en wordt een S-vormige storing veroorzaakt die de ruimte in reist, wat een passerend ruimtevaartuig zou opnemen als een haarspeldbocht.

Volgens Gary Zank, die een van de theorieën voor de oorsprong van haarspeldbochten opstelde:"De eerste afbeelding van Metis die Daniele liet zien, suggereerde me bijna onmiddellijk de cartoons die we hadden getekend bij het ontwikkelen van het wiskundige model voor een haarspeldbocht. eerste afbeelding was slechts een momentopname en we moesten ons enthousiasme temperen totdat we de uitstekende Metis-dekking hadden gebruikt om temporele informatie te extraheren en een meer gedetailleerde spectrale analyse van de beelden zelf te doen. De resultaten bleken absoluut spectaculair te zijn."

Samen met een team van andere onderzoekers bouwden ze een computermodel van het gedrag en ontdekten dat hun resultaten een opvallende gelijkenis vertoonden met het Metis-beeld, vooral nadat ze berekeningen hadden opgenomen voor hoe de structuur zou verlengen tijdens zijn voortplanting naar buiten door de zonnecorona .

"Ik zou zeggen dat dit eerste beeld van een magnetische switchback in de zonnecorona het mysterie van hun oorsprong heeft onthuld", zegt Daniele, wiens resultaten zijn gepubliceerd in een artikel in The Astrophysical Journal Letters .

Bij het begrijpen van haarspeldbochten, kunnen zonnefysici ook een stap zetten in de richting van het begrijpen van de details van hoe de zonnewind wordt versneld en van de zon wordt verwarmd. Dit komt omdat wanneer ruimtevaartuigen door haarspeldbochten vliegen, ze vaak een plaatselijke versnelling van de zonnewind registreren.

"De volgende stap is om te proberen om in situ waargenomen haarspeldbochten statistisch te koppelen aan hun brongebieden op de zon", zegt Daniele. Met andere woorden, een ruimtevaartuig door de magnetische omkering laten vliegen en kunnen zien wat er op het zonneoppervlak is gebeurd. Dit is precies het soort koppelingswetenschap waarvoor Solar Orbiter is ontworpen, maar het betekent niet noodzakelijk dat Solar Orbiter door de switchback moet vliegen. Het zou een ander ruimtevaartuig kunnen zijn, zoals Parker Solar Probe. Zolang de in-situ data en remote sensing data gelijktijdig zijn, kan Daniele de correlatie uitvoeren.

"Dit is precies het soort resultaat waar we op hoopten met Solar Orbiter", zegt Daniel Müller, ESA-projectwetenschapper voor Solar Orbiter. "Bij elke baan krijgen we meer gegevens van onze reeks van tien instrumenten. Op basis van resultaten zoals deze zullen we de geplande waarnemingen voor de volgende zonne-ontmoeting van Solar Orbiter verfijnen om de manier te begrijpen waarop de zon verbinding maakt met de bredere magnetische omgeving van het zonnestelsel. Dit was de allereerste keer dat de Solar Orbiter dicht bij de zon kwam, dus we verwachten dat er nog veel meer opwindende resultaten zullen volgen."

Solar Orbiter's volgende dichte passage van de zon - opnieuw binnen de baan van Mercurius op een afstand van 0,29 keer de afstand aarde-zon - zal plaatsvinden op 13 oktober. Eerder deze maand, op 4 september, maakte Solar Orbiter een door zwaartekracht geassisteerde vlucht langs Venus om zijn baan rond de zon aan te passen; volgende Venus-vluchten zullen de helling van de baan van het ruimtevaartuig beginnen te verhogen om toegang te krijgen tot hogere breedtegraden - meer polaire - gebieden van de zon.

Een close-up van de Solar Orbiter Metis-gegevens omgezet in een film toont de evolutie van de switchback. De reeks vertegenwoordigt ongeveer 33 minuten aan gegevens die op 25 maart 2022 zijn genomen. De heldere structuur vormt zich terwijl ze zich vanaf de zon naar buiten voortplant. Naarmate het zijn volledige ontwikkeling bereikt, buigt het terug op zichzelf en krijgt het de vervormde S-vorm die kenmerkend is voor een magnetische switchback. De constructie zet uit met een snelheid van 80 km/s, maar de hele constructie beweegt niet met deze snelheid. In plaats daarvan rekt het uit en vervormt het. Dit is de eerste keer dat een magnetische switchback ooit op afstand is waargenomen. Alle andere detecties hebben plaatsgevonden toen ruimtevaartuigen door deze verstoorde magnetische gebieden zijn gevlogen. + Verder verkennen

De foto's van Solar Orbiter van de zon zijn net zo dramatisch als je had gehoopt