Mysteriet med den ”långsamma” solvinden avslöjat av Solar Orbiter-uppdraget

by Albert
ESA Solar Orbiter. Kredit: Europeiska rymdorganisationen (ESA)

Forskare har kommit ett steg närmare att identifiera det mystiska ursprunget till den ”långsamma” solvinden med hjälp av data som samlats in under rymdfarkosten Solar Orbiters första resa nära solen.

Solvinden, som kan färdas med hundratals kilometer per sekund, har fascinerat forskare i åratal, och ny forskning som publiceras i Nature Astronomy kastar äntligen ljus över hur den bildas.

Solvind beskriver det kontinuerliga utflödet av laddade plasmapartiklar från solen ut i rymden – där vind som färdas med över 500 km per sekund kallas ”snabb” och under 500 km per sekund beskrivs som ”långsam”.

När denna vind träffar jordens atmosfär kan den resultera i det fantastiska norrsken som vi känner till som norrsken. Men när större mängder plasma frigörs, i form av en koronal massutkastning, kan det också vara farligt och orsaka betydande skador på satelliter och kommunikationssystem.

Trots årtionden av observationer är källorna och mekanismerna som frigör, accelererar och transporterar solvindsplasma bort från solen och in i vårt solsystem inte väl förstådda – särskilt inte den långsamma solvinden.

År 2020 lanserade Europeiska rymdorganisationen (ESA), med stöd av NASA, Solar Orbiter-uppdraget. Förutom att ta de närmaste och mest detaljerade bilderna av solen som någonsin tagits, är ett av uppdragets huvudsyften att mäta och länka solvinden tillbaka till dess ursprungsområde på solens yta.

Solar Orbiter beskrivs som ”det mest komplexa vetenskapliga laboratorium som någonsin har skickats till solen” och ombord finns tio olika vetenskapliga instrument – några på plats för att samla in och analysera prover av solvinden när den passerar rymdfarkosten, och andra fjärranalysinstrument som är utformade för att ta högkvalitativa bilder av aktiviteten på solens yta.

Genom att kombinera fotografiska och instrumentella data har forskarna för första gången tydligare kunnat identifiera var den långsamma solvinden har sitt ursprung. Detta har hjälpt dem att fastställa hur den kan lämna solen och påbörja sin resa in i heliosfären – den gigantiska bubblan runt solen och dess planeter som skyddar vårt solsystem från interstellär strålning.

Dr Steph Yardley vid Northumbria University, Newcastle upon Tyne, ledde forskningen och förklarar: ”Variationen i solvindens strömmar som mäts på plats vid en rymdfarkost nära solen ger oss mycket information om deras källor, och även om tidigare studier har spårat solvindens ursprung gjordes detta mycket närmare jorden, och då har denna variation gått förlorad.

”Eftersom Solar Orbiter färdas så nära solen kan vi fånga solvindens komplexa natur för att få en mycket tydligare bild av dess ursprung och hur denna komplexitet drivs av förändringar i olika källregioner.”

Skillnaden mellan hastigheten hos den snabba och den långsamma solvinden tros bero på de olika områden i solens korona, det yttersta lagret av dess atmosfär, som de härstammar från.

Den öppna koronan avser regioner där magnetiska fältlinjer är förankrade i solen i ena änden och sträcker sig ut i rymden i den andra, vilket skapar en motorväg för solmaterial att fly ut i rymden. Dessa områden är svalare och tros vara källan till den snabba solvinden.

Den slutna koronan avser regioner på solen där de magnetiska fältlinjerna är slutna, vilket innebär att de är anslutna till solytan i båda ändar. Dessa områden kan ses som stora ljusa slingor som bildas över magnetiskt aktiva regioner.

Ibland bryts dessa slutna magnetiska slingor, vilket ger en kort möjlighet för solmaterial att fly, på samma sätt som det gör genom öppna magnetiska fältlinjer, innan de återansluts och bildar en sluten slinga igen. Detta sker i allmänhet i områden där den öppna och den slutna korona möts.

Ett av målen med Solar Orbiter är att testa en teori om att den långsamma solvinden har sitt ursprung i den slutna koronan och kan fly ut i rymden genom denna process där magnetiska fältlinjer bryts och återansluts.

Ett sätt för forskargruppen att testa denna teori var genom att mäta ”sammansättningen” av solvindens strömmar.

Kombinationen av tunga joner i solmaterial skiljer sig åt beroende på varifrån det kommer; den varmare, slutna jämfört med den svalare, öppna korona.

Med hjälp av instrumenten ombord på Solar Orbiter kunde teamet analysera den aktivitet som äger rum på solens yta och sedan matcha den med de solvindsströmmar som samlats in av rymdfarkosten.

Med hjälp av de bilder av solens yta som Solar Orbiter tagit kunde de fastställa att strömmarna av den långsamma vinden kom från ett område där den öppna och den slutna korona möttes, vilket bevisar teorin att den långsamma vinden kan fly från slutna magnetiska fältlinjer genom processen med brytning och återanslutning.

Dr Yardley, från Northumbria Universitys forskningsgrupp för sol- och rymdfysik, förklarar: ”Den varierande sammansättningen av solvinden som uppmättes vid Solar Orbiter överensstämde med den förändrade sammansättningen hos källorna i koronan.

”Förändringarna i sammansättningen av de tunga jonerna tillsammans med elektronerna ger starka bevis för att variationen inte bara drivs av de olika källregionerna, utan också beror på återanslutningsprocesser som sker mellan de slutna och öppna slingorna i koronan.”

ESA:s Solar Orbiter-uppdrag är ett internationellt samarbete, där forskare och institutioner från hela världen arbetar tillsammans och bidrar med specialistkunskaper och utrustning.

ESA Solar Orbiters instrument. Kredit: Europeiska rymdorganisationen (ESA)

ESA Solar Orbiters instrument. Kredit: Europeiska rymdorganisationen (ESA)

Daniel Müller, ESA:s projektforskare för Solar Orbiter, säger: ”Redan från början har ett centralt mål för Solar Orbiter-uppdraget varit att koppla dynamiska händelser på solen till deras inverkan på den omgivande plasmabubblan i heliosfären.

”För att uppnå detta måste vi kombinera fjärrobservationer av solen med mätningar på plats av solvinden när den strömmar förbi rymdfarkosten. Jag är oerhört stolt över hela teamet som har lyckats genomföra dessa komplexa mätningar.

”Det här resultatet bekräftar att Solar Orbiter kan göra robusta kopplingar mellan solvinden och dess källområden på solytan. Detta var ett viktigt mål för uppdraget och öppnar vägen för oss att studera solvindens ursprung i en aldrig tidigare skådad detalj.”

Bland instrumenten ombord på Solar Orbiter finns Heavy Ion Sensor (HIS), som delvis har utvecklats av forskare och ingenjörer från University of Michigans Space Physics Research Laboratory vid institutionen för klimat- och rymdvetenskap och teknik. Sensorn är utformad för att mäta tunga joner i solvinden, vilket kan användas för att avgöra varifrån solvinden kommer.

”Varje region på solen kan ha en unik kombination av tunga joner, vilket avgör den kemiska sammansättningen av en ström av solvind.

”Eftersom den kemiska sammansättningen av solvinden förblir konstant när den färdas ut i solsystemet kan vi använda dessa joner som ett fingeravtryck för att fastställa ursprunget för en specifik ström av solvind i den nedre delen av solens atmosfär”, säger Susan Lepri, professor i klimat- och rymdvetenskap och teknik vid University of Michigan och biträdande huvudforskare för Heavy Ion Sensor.

Elektronerna i solvinden mäts med ett Electron Analyser System (EAS), som utvecklats av UCL:s Mullard Space Science Laboratory, där Dr. Yardley är Honorary Fellow.

Professor Christopher Owen, UCL, säger: ”Instrumentteamen har ägnat mer än ett decennium åt att designa, bygga och förbereda sina sensorer för uppskjutning, samt planera hur de bäst ska användas på ett samordnat sätt. Det är därför mycket glädjande att nu se hur data sammanställs för att avslöja vilka regioner på solen som driver den långsamma solvinden och dess variabilitet.”

Proton-Alpha Sensor (PAS), som mäter vindhastigheten, har designats och utvecklats av Paul Sabatier University’s Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie i Toulouse, Frankrike.

Tillsammans utgör dessa instrument sensorsviten Solar Wind Analyser ombord på Solar Orbiter, för vilken professor Owen från UCL är huvudforskare.

På tal om framtida forskningsplaner säger Dr. Yardley: ”Hittills har vi bara analyserat Solar Orbiter-data på det här sättet för just det här intervallet. Det skulle vara mycket intressant att titta på andra fall där Solar Orbiter används och att även göra en jämförelse med dataset från andra närliggande uppdrag som NASA:s Parker Solar Probe.”

Ytterligare information: Multi-source connectivity as the driver of solar wind variability in the heliosphere, Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02278-9. www.nature.com/articles/s41550-024-02278-9

Related Articles

Leave a Comment