Krachtige fakkels, adembenemende uitzichten over de zonnepolen en een merkwaardige zonne-egel behoren tot de verzameling spectaculaire beelden, films en gegevens die Solar Orbiter heeft teruggestuurd vanaf zijn eerste dichte nadering van de zon. Hoewel de analyse van de nieuwe dataset nog maar net is begonnen, is het al duidelijk dat de door ESA geleide missie de meest buitengewone inzichten geeft in het magnetische gedrag van de zon en de manier waarop dit het ruimteweer vormgeeft.

De dichtste nadering van Solar Orbiter tot de zon, bekend als het perihelium, vond plaats op 26 maart. Het ruimtevaartuig bevond zich binnen de baan van Mercurius, op ongeveer een derde van de afstand van de zon tot de aarde, en het hitteschild bereikte een temperatuur van ongeveer 500°C. Maar het voerde die warmte af met zijn innovatieve technologie om het ruimtevaartuig veilig en functionerend te houden.

Solar Orbiter draagt ​​tien wetenschappelijke instrumenten - negen worden geleid door ESA-lidstaten en één door NASA - die allemaal samenwerken in nauwe samenwerking om een ​​ongekend inzicht te geven in hoe onze lokale ster 'werkt'. Sommige zijn remote-sensing-instrumenten die naar de zon kijken, terwijl andere in-situ-instrumenten zijn die de omstandigheden rond het ruimtevaartuig volgen, waardoor wetenschappers "de punten kunnen verbinden" van wat ze zien gebeuren bij de zon, tot wat Solar Orbiter "voelt" " op zijn locatie in de zonnewind miljoenen kilometers verderop.

Als het gaat om het perihelium, is het duidelijk dat hoe dichter het ruimtevaartuig bij de zon komt, hoe fijner de details die het teledetectie-instrument kan zien. En het toeval wil dat het ruimtevaartuig ook verschillende zonnevlammen en zelfs een op de aarde gerichte coronale massa-ejectie opneemt, wat een voorproefje geeft van realtime ruimteweersvoorspellingen, een onderneming die steeds belangrijker wordt vanwege de dreiging die het ruimteweer met zich meebrengt tot technologie en astronauten.

Introductie van de zonne-egel

"De beelden zijn werkelijk adembenemend", zegt David Berghmans, Koninklijke Sterrenwacht van België, en de hoofdonderzoeker (PI) van het Extreme Ultraviolet Imager (EUI)-instrument, dat hoge resolutiebeelden maakt van de lagere lagen van de atmosfeer van de zon, bekend als de zonnecorona. In deze regio vindt de meeste zonneactiviteit plaats die het ruimteweer aandrijft.

De taak voor het EUI-team is nu om te begrijpen wat ze zien. Dit is geen gemakkelijke taak omdat Solar Orbiter op kleine schaal zoveel activiteit op de zon onthult. Nadat ze een functie of een gebeurtenis hebben gezien die ze niet onmiddellijk kunnen herkennen, moeten ze door eerdere zonneobservaties van andere ruimtemissies graven om te zien of iets soortgelijks eerder is gezien.

"Zelfs als Solar Obiter morgen zou stoppen met het verzamelen van gegevens, zou ik jarenlang bezig zijn om al deze dingen uit te zoeken", zegt David Berghmans.

Een bijzonder in het oog springend kenmerk werd gezien tijdens dit perihelium. Voorlopig heeft het de bijnaam "de egel" gekregen. Het strekt zich 25.000 kilometer uit over de zon en heeft een groot aantal pieken van heet en kouder gas die zich in alle richtingen uitstrekken.

De puntjes op de i

Het belangrijkste wetenschappelijke doel van Solar Orbiter is om de verbinding tussen de zon en de heliosfeer te onderzoeken. De heliosfeer is de grote "bel" van de ruimte die zich buiten de planeten van ons zonnestelsel uitstrekt. Het is gevuld met elektrisch geladen deeltjes, waarvan de meeste door de zon zijn verdreven om de zonnewind te vormen. Het is de beweging van deze deeltjes en de bijbehorende magnetische zonnevelden die ruimteweer creëren.

Om de effecten van de zon op de heliosfeer in kaart te brengen, moeten de resultaten van de in-situ instrumenten, die de deeltjes en magnetische velden registreren die door het ruimtevaartuig razen, worden herleid tot gebeurtenissen op of nabij het zichtbare oppervlak van de zon, die worden geregistreerd door de instrumenten voor teledetectie.

Dit is geen gemakkelijke taak, aangezien de magnetische omgeving rond de zon zeer complex is, maar hoe dichter het ruimtevaartuig bij de zon kan komen, hoe minder ingewikkeld het is om deeltjesgebeurtenissen terug te traceren naar de zon langs de "snelwegen" van magnetische veldlijnen . Het eerste perihelium was hiervoor een belangrijke test en de resultaten zien er tot nu toe veelbelovend uit.

Op 21 maart, een paar dagen voor het perihelium, scheerde een wolk van energetische deeltjes over het ruimtevaartuig. Het werd gedetecteerd door de Energetic Particle Detector (EPD). Het is veelzeggend dat de meest energieke van hen het eerst arriveerde, gevolgd door die van lagere en lagere energieën.

"Dit suggereert dat de deeltjes niet in de buurt van het ruimtevaartuig worden geproduceerd", zegt Javier Rodríguez-Pacheco, Universiteit van Alcalá, Spanje, en EPD's PI. In plaats daarvan werden ze geproduceerd in de zonneatmosfeer, dichter bij het oppervlak van de zon. Terwijl ze de ruimte doorkruisten, trokken de snellere deeltjes de langzamere voor, zoals hardlopers in een sprint.

Op dezelfde dag zag het experiment met radio- en plasmagolven (RPW) ze aankomen, waarbij ze de sterke karakteristieke zwaai van radiofrequenties oppikten die werden geproduceerd wanneer versnelde deeltjes - meestal elektronen - naar buiten spiralen langs de magnetische veldlijnen van de zon. RPW detecteerde vervolgens oscillaties die bekend staan ​​​​als Langmuir-golven. "Dit is een teken dat de energetische elektronen bij het ruimtevaartuig zijn aangekomen", zegt Milan Maksimovic, LESIA, Observatoire de Paris, Frankrijk en RPW PI.

Van de teledetectie-instrumenten zagen zowel EUI als de röntgenspectrometer/telescoop (STIX) gebeurtenissen op de zon die verantwoordelijk zouden kunnen zijn voor het vrijkomen van de deeltjes. Hoewel de deeltjes die naar buiten de ruimte instromen, degene zijn die EPD en RPW hebben gedetecteerd, is het belangrijk om te onthouden dat andere deeltjes vanaf de gebeurtenis naar beneden kunnen reizen en de lagere niveaus van de atmosfeer van de zon raken. Dit is waar STIX om de hoek komt kijken.

Terwijl EUI het ultraviolette licht ziet dat vrijkomt op de plaats van de zonnevlam in de atmosfeer van de zon, ziet STIX de röntgenstralen die worden geproduceerd wanneer elektronen die door de zonnevlam worden versneld een interactie aangaan met atoomkernen in de lagere niveaus van de atmosfeer van de zon.

Hoe deze observaties precies met elkaar verbonden zijn, is nu een zaak voor de teams om te onderzoeken. Er zijn aanwijzingen uit de samenstelling van de deeltjes die door EPD zijn gedetecteerd dat ze waarschijnlijk zijn versneld door een coronale schok in een meer geleidelijke gebeurtenis in plaats van impulsief door een uitbarsting.

"Het kan zijn dat je meerdere acceleratielocaties hebt", zegt Samuel Krucker, FHNW, Zwitserland en PI voor STIX.

Een andere wending aan deze situatie is dat het Magnetometer-instrument (MAG) op dat moment niets substantieels registreerde. Dit is echter niet ongebruikelijk. De initiële uitbarsting van deeltjes, bekend als een Coronal Mass Ejection (CME), draagt ​​een sterk magnetisch veld dat MAG gemakkelijk kan registreren, maar energetische deeltjes van de gebeurtenis reizen veel sneller dan de CME en kunnen snel grote volumes ruimte vullen, en daarom worden gedetecteerd door Solar Orbiter. "Maar als de CME het ruimtevaartuig mist, zal MAG geen handtekening zien", zeggen Tim Horbury, Imperial College, U.K., en MAG PI.

Als het op het magnetische veld aankomt, begint het allemaal bij het zichtbare oppervlak van de zon, de fotosfeer. Dit is waar het intern gegenereerde magnetische veld de ruimte in barst. Om te weten hoe dit eruit ziet, draagt ​​Solar Orbiter het Polarimetric and Helioseismic Imager (PHI) -instrument. Dit kan de magnetische noord- en zuidpolariteit op de fotosfeer zien, evenals het rimpelen van het oppervlak van de zon als gevolg van seismische golven die door het binnenste ervan reizen.

"We leveren de magnetische veldmetingen aan het oppervlak van de zon. Dit veld zet dan uit, gaat de corona in en zorgt in feite voor alle schittering en actie die je daarboven ziet", zegt Sami Solanki, Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, Göttingen , Duitsland en de PI voor PHI.

Een ander instrument, de Spectral Imaging of the Coronal Environment (SPICE), legt de samenstelling van de corona vast. Deze "overvloedskaarten" kunnen worden vergeleken met de inhoud van de zonnewind die wordt gezien door het instrument Solar Wind Analyzer (SWA).

"Dit zal de evolutie van de samenstelling van de zonnewind van de zon naar het ruimtevaartuig volgen, en dat vertelt ons over de mechanismen die verantwoordelijk zijn voor de versnelling van de zonnewind", zegt SPICE PI Frédéric Auchère, Institut d'Astrophysique Spatiale, Frankrijk .

Het ruimteweer voorspellen

Door gegevens van alle instrumenten te combineren, kan het wetenschappelijke team het verhaal vertellen van zonneactiviteit vanaf het oppervlak van de zon, tot aan de Solar Orbiter en verder. En die kennis is precies wat de weg vrijmaakt voor een toekomstig systeem dat is ontworpen om de ruimteweersomstandigheden op aarde in realtime te voorspellen. In de aanloop naar het perihelium kreeg Solar Orbiter zelfs een voorproefje van hoe zo'n systeem zou kunnen werken.

Het ruimtevaartuig vloog stroomopwaarts van de aarde. Dit unieke perspectief betekende dat het de omstandigheden van de zonnewind in de gaten hield die enkele uren later de aarde zou raken. Omdat het ruimtevaartuig in direct contact stond met de aarde, met zijn signalen die met de snelheid van het licht reizen, arriveerden de gegevens binnen enkele minuten op de grond, klaar voor analyse. Het toeval wilde dat er rond deze tijd verschillende coronale massa-ejecties (CME) werden gedetecteerd, waarvan sommige rechtstreeks naar de aarde gingen.

Op 10 maart vloog een CME over het ruimtevaartuig. Met behulp van gegevens van MAG kon het team voorspellen wanneer het vervolgens de aarde zou raken. Door dit nieuws op sociale media aan te kondigen, konden skywatchers klaar zijn voor de aurora, die naar behoren rond 18 uur later op de voorspelde tijd arriveerde.

Deze ervaring gaf Solar Orbiter een voorproefje van hoe het is om de ruimteweersomstandigheden op aarde in realtime te voorspellen. Een dergelijk streven wordt steeds belangrijker vanwege de bedreiging die het ruimteweer vormt voor technologie en astronauten.

ESA plant momenteel een missie genaamd ESA Vigil die aan één kant van de zon zal worden gestationeerd en in het gebied van de ruimte naar de aarde zal kijken. Het zal zijn taak zijn om CME's in beeld te brengen die door deze regio reizen, vooral degenen die op weg zijn naar onze planeet. Tijdens het perihelium zelf was Solar Orbiter zo gepositioneerd dat zijn instrumenten Metis en SoloHI precies dit soort beelden en gegevens konden leveren.

Metis maakt foto's van de corona van 1,7-3 zonnestralen. Door de heldere schijf van de zon uit te wissen, ziet hij de zwakkere corona. "Het geeft dezelfde details als waarnemingen van totale zonsverduisteringen op de grond, maar in plaats van een paar minuten kan Metis continu observeren", zegt Marco Romoli, Universiteit van Florence, Italië, en PI voor Metis.

SoloHI legt beelden vast van zonlicht dat wordt verstrooid door de elektronen in de zonnewind. Een bepaalde uitbarsting, op 31 maart, bereikte de X-klasse, de meest energetische zonnevlammen die we kennen. Tot nu toe zijn de gegevens niet geanalyseerd omdat veel ervan op het ruimtevaartuig wachten om te worden gedownload. Nu Solar Orbiter verder van de aarde is verwijderd, is de gegevensoverdrachtsnelheid vertraagd en moeten onderzoekers geduld hebben, maar ze zijn meer dan klaar om met hun analyse te beginnen wanneer deze arriveert.

"We zijn altijd geïnteresseerd in de grote evenementen omdat ze de grootste reacties en de meest interessante natuurkunde produceren, omdat je naar de uitersten kijkt", zegt Robin Colaninno, U.S. Naval Research Laboratory, Washington DC en SoloHI PI.

Binnenkort beschikbaar

Het lijdt geen twijfel dat de instrumententeams hun werk nu hebben gedaan. Het perihelium was een enorm succes en heeft een enorme kwaliteit aan buitengewone gegevens gegenereerd. En het is slechts een voorproefje van wat komen gaat. Het ruimtevaartuig racet al door de ruimte om zich op te stellen voor zijn volgende - en iets dichterbij - periheliumpas op 13 oktober op 0,29 keer de afstand aarde-zon. Voor die tijd, op 4 september, zal het voor de derde keer langs Venus vliegen.

Solar Orbiter heeft al zijn eerste foto's gemaakt van de grotendeels onontgonnen poolgebieden van de zon, maar er moet nog veel meer komen.

Op 18 februari 2025 zal Solar Orbiter Venus voor de vierde keer ontmoeten. Dit vergroot de helling van de baan van het ruimtevaartuig tot ongeveer 17 graden. De vijfde Venus-vlucht op 24 december 2026 zal dit nog verder verhogen tot 24 graden, en zal het begin markeren van de "high-latitude"-missie.

In deze fase zal Solar Orbiter de poolgebieden van de zon directer dan ooit tevoren zien. Dergelijke gezichtslijnwaarnemingen zijn essentieel voor het ontwarren van de complexe magnetische omgeving aan de polen, die op zijn beurt het geheim kan bevatten van de 11-jarige cyclus van wassende en afnemende activiteit van de zon.

"We zijn zo enthousiast over de kwaliteit van de gegevens van ons eerste perihelium", zegt Daniel Müller, ESA-projectwetenschapper voor Solar Orbiter. "Het is bijna niet te geloven dat dit nog maar het begin is van de missie. We gaan het inderdaad erg druk krijgen." + Verder verkennen

Solar Orbiter kruist de lijn aarde-zon op weg naar de zon