Zonnewind, die honderden kilometers per seconde kan reizen, fascineert wetenschappers al jaren, en nieuw onderzoek gepubliceerd in Nature Astronomy , werpt eindelijk licht op hoe het ontstaat.

Zonnewind beschrijft de voortdurende uitstroom van geladen plasmadeeltjes van de zon naar de ruimte – waarbij de wind zich voortbeweegt met een snelheid van meer dan 500 km per seconde, bekend als 'snel' en onder de 500 km per seconde, beschreven als 'langzaam'.

Wanneer deze wind de atmosfeer van de aarde raakt, kan dit resulteren in de verbluffende aurora die we kennen als het noorderlicht. Maar wanneer grotere hoeveelheden plasma vrijkomen, in de vorm van een coronale massa-ejectie, kan dit ook gevaarlijk zijn en aanzienlijke schade aan satellieten en communicatiesystemen veroorzaken.

Ondanks tientallen jaren van observaties zijn de bronnen en mechanismen die zonnewindplasma vrijgeven, versnellen en transporteren, weg van de zon en naar ons zonnestelsel, nog niet goed begrepen, met name de langzame zonnewind.

In 2020 lanceerde de European Space Agency (ESA), met steun van NASA, de Solar Orbiter-missie. Naast het vastleggen van de dichtstbijzijnde en meest gedetailleerde beelden van de zon die ooit zijn gemaakt, is een van de belangrijkste doelstellingen van de missie het meten en terugkoppelen van de zonnewind naar het gebied van oorsprong op het oppervlak van de zon.

Beschreven als ‘het meest complexe wetenschappelijke laboratorium dat ooit naar de zon is gestuurd’, zijn er tien verschillende wetenschappelijke instrumenten aan boord van de Solar Orbiter – sommige ter plaatse om monsters van de zonnewind te verzamelen en te analyseren terwijl deze het ruimtevaartuig passeert, en andere teledetectiesystemen. instrumenten die zijn ontworpen om hoogwaardige beelden vast te leggen van activiteit aan het oppervlak van de zon.

Door fotografische en instrumentele gegevens te combineren, hebben wetenschappers voor het eerst duidelijker kunnen identificeren waar de langzame zonnewind vandaan komt. Dit heeft hen geholpen vast te stellen hoe deze de zon kan verlaten en zijn reis naar de heliosfeer kan beginnen:de gigantische bel rond de zon en zijn planeten die ons zonnestelsel beschermen tegen interstellaire straling.

Dr. Steph Yardley van Northumbria University, Newcastle upon Tyne, leidde het onderzoek en legt uit:“De variabiliteit van zonnewindstromen, gemeten in situ bij een ruimtevaartuig dicht bij de zon, geeft ons veel informatie over hun bronnen, en hoewel eerdere studies hebben de oorsprong van de zonnewind getraceerd, maar dit gebeurde veel dichter bij de aarde, tegen die tijd is deze variabiliteit verloren gegaan.

"Omdat de Solar Orbiter zo dicht bij de zon reist, kunnen we de complexe aard van de zonnewind vastleggen om een ​​veel duidelijker beeld te krijgen van de oorsprong ervan en hoe deze complexiteit wordt aangedreven door de veranderingen in verschillende bronregio's."

Er wordt aangenomen dat het verschil tussen de snelheid van de snelle en langzame zonnewind te wijten is aan de verschillende delen van de corona van de zon, de buitenste laag van de atmosfeer, waar ze vandaan komen.

De open corona verwijst naar gebieden waar magnetische veldlijnen zich aan de ene kant aan de zon verankeren en zich aan de andere kant de ruimte in uitstrekken, waardoor een snelweg ontstaat waar zonnemateriaal de ruimte in kan ontsnappen. Deze gebieden zijn koeler en worden verondersteld de bron te zijn van de snelle zonnewind.

Ondertussen verwijst de gesloten corona naar gebieden van de zon waar de magnetische veldlijnen gesloten zijn, wat betekent dat ze aan beide uiteinden verbonden zijn met het zonneoppervlak. Deze kunnen worden gezien als grote heldere lussen die zich vormen over magnetisch actieve gebieden.

Af en toe zullen deze gesloten magnetische lussen breken, waardoor zonnemateriaal een korte kans krijgt om te ontsnappen, op dezelfde manier als door open magnetische veldlijnen, voordat ze zich opnieuw verbinden en opnieuw een gesloten lus vormen. Dit vindt doorgaans plaats in gebieden waar de open en gesloten corona elkaar ontmoeten.

Een van de doelstellingen van Solar Orbiter is het testen van een theorie dat de langzame zonnewind afkomstig is van de gesloten corona en in de ruimte kan ontsnappen door dit proces van magnetische veldlijnen die breken en opnieuw verbinden.

Eén manier waarop het wetenschappelijke team deze theorie kon testen, was door de ‘samenstelling’ of samenstelling van zonnewindstromen te meten.

De combinatie van zware ionen in zonnemateriaal verschilt afhankelijk van waar het vandaan komt; de warmere, gesloten versus de koelere, open corona.

Met behulp van de instrumenten aan boord van de Solar Orbiter kon het team de activiteit analyseren die plaatsvond op het oppervlak van de zon en deze vervolgens vergelijken met de zonnewindstromen die door het ruimtevaartuig werden verzameld.

Met behulp van de beelden van het oppervlak van de zon, vastgelegd door Solar Orbiter, konden ze vaststellen dat de langzame windstromen afkomstig waren uit een gebied waar de open en gesloten corona elkaar ontmoetten, wat de theorie bewees dat de langzame wind in staat is om te ontsnappen uit gesloten magnetische veldlijnen. door het proces van verbreken en opnieuw verbinden.

Zoals Dr. Yardley van de onderzoeksgroep Solar and Space Physics van Northumbria University uitlegt:“De variërende samenstelling van de zonnewind gemeten bij Solar Orbiter was consistent met de verandering in samenstelling tussen de bronnen in de corona.

"De veranderingen in de samenstelling van de zware ionen samen met de elektronen leveren sterk bewijs dat de variabiliteit niet alleen wordt veroorzaakt door de verschillende brongebieden, maar ook te wijten is aan herverbindingsprocessen die plaatsvinden tussen de gesloten en open lussen in de corona."

De ESA Solar Orbiter-missie is een internationale samenwerking, waarbij wetenschappers en instellingen van over de hele wereld samenwerken en specialistische vaardigheden en apparatuur bijdragen.

Daniel Müller, ESA-projectwetenschapper voor Solar Orbiter, zei:"Vanaf het begin was een centraal doel van de Solar Orbiter-missie het koppelen van dynamische gebeurtenissen op de zon aan hun impact op de omringende plasmabel van de heliosfeer.

"Om dit te bereiken moeten we observaties op afstand van de zon combineren met in-situ metingen van de zonnewind terwijl deze langs het ruimtevaartuig stroomt. Ik ben enorm trots op het hele team dat deze complexe metingen met succes heeft uitgevoerd.

"Dit resultaat bevestigt dat Solar Orbiter in staat is om robuuste verbindingen te maken tussen de zonnewind en de brongebieden op het zonneoppervlak. Dit was een hoofddoel van de missie en opent de weg voor ons om de oorsprong van de zonnewind in ongekend detail te bestuderen. "

Een van de instrumenten aan boord van de Solar Orbiter is de Heavy Ion Sensor (HIS), gedeeltelijk ontwikkeld door onderzoekers en ingenieurs van het Space Physics Research Laboratory van de Universiteit van Michigan in de afdeling Climate and Space Sciences and Engineering. De sensor is ontworpen om zware ionen in de zonnewind te meten, waarmee kan worden bepaald waar de zonnewind vandaan komt.

"Elke regio van de zon kan een unieke combinatie van zware ionen hebben, die de chemische samenstelling van een stroom zonnewind bepaalt.

"Omdat de chemische samenstelling van de zonnewind constant blijft terwijl deze het zonnestelsel binnengaat, kunnen we deze ionen gebruiken als een vingerafdruk om de oorsprong van een specifieke stroom van de zonnewind in het onderste deel van de atmosfeer van de zon te bepalen," zegt Susan Lepri, hoogleraar klimaat- en ruimtewetenschappen en techniek aan de Universiteit van Michigan en plaatsvervangend hoofdonderzoeker van de Heavy Ion Sensor.

De elektronen in de zonnewind worden gemeten door een Electron Analyzer System (EAS), ontwikkeld door het Mullard Space Science Laboratory van de UCL, waar Dr. Yardley een Honorary Fellow is.

Professor Christopher Owen van de UCL zei:“De instrumentteams hebben meer dan een decennium besteed aan het ontwerpen, bouwen en voorbereiden van hun sensoren voor lancering, en aan het plannen van de beste manier om ze op een gecoördineerde manier te bedienen. Het is dus zeer verheugend om nu te zien de gegevens worden verzameld om te onthullen welke delen van de zon de langzame zonnewind en de variabiliteit ervan aandrijven."

De Proton-Alpha Sensor (PAS), die de windsnelheid meet, is ontworpen en ontwikkeld door het Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie van de Paul Sabatier Universiteit in Toulouse, Frankrijk.

Samen vormen deze instrumenten de Solar Wind Analyzer-sensorsuite aan boord van de Solar Orbiter, waarvoor professor Owen van de UCL hoofdonderzoeker is.

Sprekend over toekomstige onderzoeksplannen zei Dr. Yardley:"Tot nu toe hebben we de gegevens van Solar Orbiter alleen op deze manier geanalyseerd voor dit specifieke interval. Het zal heel interessant zijn om naar andere gevallen te kijken met behulp van Solar Orbiter en ook een vergelijking te maken met datasets van andere close-in-missies zoals NASA's Parker Solar Probe."