Das Geheimnis des „langsamen“ Sonnenwinds, das die Solar Orbiter-Mission enthüllte

Wissenschaftler sind der Identifizierung der mysteriösen Ursprünge des „langsamen“ Sonnenwinds einen Schritt näher gekommen, indem sie Daten verwenden, die während der ersten Annäherung der Raumsonde Solar Orbiter an die Sonne gesammelt wurden.

Der Sonnenwind, der sich mit Hunderten von Kilometern pro Sekunde fortbewegen kann, fasziniert Wissenschaftler seit Jahren und neue Forschungsergebnisse wurden in veröffentlicht Natürliche Astronomiehebt endlich sein Training hervor.

Sonnenwind beschreibt den kontinuierlichen Fluss geladener Plasmateilchen von der Sonne in den Weltraum, wobei Windgeschwindigkeiten von mehr als 500 km pro Sekunde als „schnell“ und weniger als 500 km pro Sekunde als „langsam“ bezeichnet werden.

Wenn dieser Wind auf die Erdatmosphäre trifft, kann er atemberaubende Polarlichter verursachen, die wir als Nordlichter kennen. Wenn jedoch größere Mengen Plasma in Form eines koronalen Massenauswurfs freigesetzt werden, kann dies auch gefährlich sein und erhebliche Schäden an Satelliten und Kommunikationssystemen verursachen.

Trotz jahrzehntelanger Beobachtungen sind die Quellen und Mechanismen, die Sonnenwindplasma freisetzen, beschleunigen und von der Sonne weg in unser Sonnensystem transportieren, nicht gut verstanden, insbesondere der langsame Sonnenwind.

Im Jahr 2020 startete die Europäische Weltraumorganisation (ESA) mit Unterstützung der NASA die Mission Solar Orbiter. Neben der Aufnahme der genauesten und detailliertesten Bilder der Sonne, die jemals aufgenommen wurden, besteht eines der Hauptziele der Mission darin, den Sonnenwind zu messen und ihn mit seinem Ursprungsbereich auf der Sonnenoberfläche in Beziehung zu setzen.

An Bord des Solar Orbiter befinden sich zehn verschiedene wissenschaftliche Instrumente, von denen einige vor Ort sind, um Proben des Sonnenwinds zu sammeln und zu analysieren, während er am Raumschiff vorbeifliegt, sowie andere Fernerkundungsinstrumente, die als „das komplexeste wissenschaftliche Labor, das jemals zur Sonne geschickt wurde“ beschrieben werden. Instrumente zur Erfassung hochwertiger Bilder der Aktivität auf der Sonnenoberfläche.

Durch die Kombination fotografischer und instrumenteller Daten konnten Wissenschaftler erstmals den Ursprung des langsamen Sonnenwinds klarer identifizieren. Dies half ihnen zu verstehen, wie es die Sonne verlassen und seine Reise in Richtung Heliosphäre beginnen kann, der riesigen Blase um die Sonne und ihre Planeten, die unser Sonnensystem vor interstellarer Strahlung schützt.

Dr. Steph Yardley von der University of Northumbria in Newcastle upon Tyne leitete die Forschung und erklärt: „Die Variabilität der Sonnenwindflüsse, die vor Ort auf einem Raumschiff in der Nähe der Sonne gemessen wird, liefert uns viele Informationen über ihre Quellen, und zwar weitaus besser als bisher.“ Studien Wenn wir den Ursprung des Sonnenwinds verfolgten, geschah dies viel näher an der Erde, woraufhin diese Variabilität verschwand.

„Da Solar Orbiter der Sonne so nahe kommt, können wir die komplexe Natur des Sonnenwinds erfassen, um ein viel klareres Bild seiner Ursprünge zu erhalten und zu erfahren, wie diese Komplexität durch Veränderungen in verschiedenen Quellregionen vorangetrieben wird.“

Es wird angenommen, dass der Unterschied zwischen schnellen und langsamen Sonnenwindgeschwindigkeiten auf die unterschiedlichen Bereiche der Sonnenkorona, der äußersten Schicht ihrer Atmosphäre, zurückzuführen ist, aus denen sie stammen.

Die offene Korona bezieht sich auf Regionen, in denen magnetische Feldlinien an einem Ende an der Sonne verankert sind und sich am anderen Ende in den Weltraum erstrecken, wodurch eine Autobahn geschaffen wird, über die Sonnenmaterie in den Sonnenraum entweichen kann. Diese Gebiete sind kühler und würden die Quelle des schnellen Sonnenwinds sein.

Unter der geschlossenen Korona versteht man dagegen Bereiche der Sonne, in denen die magnetischen Feldlinien geschlossen sind, also an beiden Enden mit der Sonnenoberfläche verbunden sind. Diese können als große Lichtschleifen gesehen werden, die sich über magnetisch aktiven Regionen bilden.

Manchmal brechen diese geschlossenen Magnetschleifen und bieten der Sonnenmaterie eine kurze Gelegenheit, zu entweichen, genau wie bei offenen Magnetfeldlinien, bevor sie sich wieder verbinden und eine geschlossene Schleife bilden. Dies geschieht meist an den Stellen, wo die offene und die geschlossene Krone aufeinandertreffen.

Eines der Ziele von Solar Orbiter besteht darin, die Theorie zu testen, dass der langsame Sonnenwind von der geschlossenen Korona ausgeht und durch diesen Prozess des Brechens und Wiederverbindens magnetischer Feldlinien in den Weltraum entweichen kann.

Das wissenschaftliche Team konnte diese Theorie testen, indem es die „Zusammensetzung“ der Sonnenwindströme maß.

Die Kombination der in der Sonnenmaterie enthaltenen Schwerionen unterscheidet sich je nach Herkunft; die wärmere, geschlossene Korona im Vergleich zur offenen, kühleren Korona.

Mit den Instrumenten an Bord von Solar Orbiter konnte das Team die Aktivität auf der Sonnenoberfläche analysieren und sie dann mit den von der Raumsonde gesammelten Sonnenwindströmen vergleichen.

Anhand der von Solar Orbiter aufgenommenen Bilder der Sonnenoberfläche konnten sie feststellen, dass die langsamen Winde aus einem Bereich kamen, in dem sich die offenen und geschlossenen Koronen trafen, und damit die Theorie beweisen, dass der langsame Wind in der Lage ist, geschlossenen Magnetfeldlinien zu entkommen. durch den Prozess des Aufbrechens und Wiederverbindens.

Dr. Yardley von der Solar and Space Physics Research Group an der Northumbria University erklärt: „Die unterschiedliche Zusammensetzung des Sonnenwinds, die von Solar Orbiter gemessen wurde, stimmte mit der Änderung der Zusammensetzung zwischen Koronaquellen überein.

„Änderungen in der Zusammensetzung schwerer Ionen und Elektronen liefern starke Beweise dafür, dass die Variabilität nicht nur auf unterschiedliche Quellregionen zurückzuführen ist, sondern auch auf Wiederverbindungsprozesse zwischen den geschlossenen und offenen Schleifen der Krone.“

Die Solar Orbiter-Mission der ESA ist eine internationale Zusammenarbeit, bei der Wissenschaftler und Institutionen aus der ganzen Welt zusammenarbeiten und Fachkenntnisse und Ausrüstung einbringen.

Daniel Müller, ESA-Solar-Orbiter-Projektwissenschaftler, sagte: „Von Anfang an bestand eines der zentralen Ziele der Solar Orbiter-Mission darin, dynamische Ereignisse auf der Sonne mit ihren Auswirkungen auf die die Heliosphäre umgebende Plasmablase zu verknüpfen.

„Um dies zu erreichen, müssen wir Fernbeobachtungen der Sonne mit In-situ-Messungen des Sonnenwinds kombinieren, der vor der Raumsonde vorbeizieht. Ich bin äußerst stolz auf das gesamte Team, dem diese komplexen Messungen gelungen sind.

„Dieses Ergebnis bestätigt, dass Solar Orbiter in der Lage ist, starke Verbindungen zwischen dem Sonnenwind und seinen Quellregionen auf der Sonnenoberfläche herzustellen. Dies war ein Hauptziel der Mission und ebnet uns den Weg, den „Ursprung des Sonnenwinds“ zu untersuchen beispiellose Details.“

Zu den Instrumenten an Bord von Solar Orbiter gehört der Heavy Ion Sensor (HIS), der teilweise von Forschern und Ingenieuren des Space Physics Research Laboratory der University of Michigan im Department of Science and Technology entwickelt wurde. Der Sensor wurde entwickelt, um die im Sonnenwind vorhandenen Schwerionen zu messen und so festzustellen, woher der Sonnenwind kommt.

„Jede Region der Sonne kann eine einzigartige Kombination schwerer Ionen aufweisen, die die chemische Zusammensetzung eines Sonnenwindstroms bestimmt.

„Da die chemische Zusammensetzung des Sonnenwinds bei seiner Ausbreitung durch das Sonnensystem konstant bleibt, können wir diese Ionen als Fingerabdruck verwenden, um den Ursprung eines bestimmten Sonnenwindflusses im unteren Teil der Sonnenatmosphäre zu bestimmen.“ sagte Susan Lepri, Professorin für Klima- und Weltraumwissenschaften und -technik an der University of Michigan und stellvertretende Hauptforscherin des Schwerionensensors.

Elektronen im Sonnenwind werden mit einem Elektronenanalysesystem (EAS) gemessen, das vom Mullard Space Science Laboratory der UCL entwickelt wurde, dessen Ehrenmitglied Dr. Yardley ist.

Professor Christopher Owen vom UCL sagte: „Die Instrumententeams haben mehr als ein Jahrzehnt damit verbracht, ihre Sensoren für den Start zu entwerfen, zu bauen und vorzubereiten sowie zu planen, wie sie am besten koordiniert betrieben werden können.“ Daher ist es sehr erfreulich zu sehen, dass die Daten jetzt zusammengeführt werden, um zu zeigen, welche Regionen der Sonne den langsamen Sonnenwind und seine Variabilität antreiben.

Der Proton-Alpha-Sensor (PAS), der die Windgeschwindigkeit misst, wurde vom Institut für Forschung in Astrophysik und Planetologie der Universität Paul Sabatier in Toulouse, Frankreich, entworfen und entwickelt.

Zusammen bilden diese Instrumente die Solar Wind Analyzer-Sensorgruppe an Bord von Solar Orbiter, für die Professor Owen vom UCL der leitende Forscher ist.

Über zukünftige Forschungspläne sagte Dr. Yardley: „Bisher haben wir Solar Orbiter-Daten nur für dieses bestimmte Intervall auf diese Weise analysiert. Es wird sehr interessant sein, andere Fälle mit Solar Orbiter zu betrachten und auch einen Vergleich mit Datensätzen von anderen nahegelegenen Missionen wie der Parker Solar Probe der NASA anzustellen.