Rozwiąż zagadkę kosmiczną sprzed 65 lat

Na tym zdjęciu wykonanym przez instrument Metis na sondzie Solar Orbiter można zobaczyć zewnętrzną atmosferę Słońca, znaną jako korona, rozciągającą się w przestrzeń kosmiczną. Metis to urządzenie pracujące na wielu długościach fali, działające w zakresie fal widzialnych i ultrafioletowych. Jest to koronograf, co oznacza, że ​​blokuje jasne światło słoneczne z powierzchni Słońca, pozostawiając widzialne słabe światło, które rozprasza cząsteczki w koronie. Na tym obrazie rozmyty czerwony dysk reprezentuje koronę, podczas gdy biały dysk to maska ​​służąca do kompresji rozmiaru obrazu w celu zmniejszenia ilości niepotrzebnych danych związanych z łączem w dół. Źródło zdjęcia: zespół ESA i NASA/Solar Orbiter/METIS; Dr.. Tiloni i wsp. (2023)

Kosmiczne ustawienie i kilka ćwiczeń statków kosmicznych dostarczyło przełomowych pomiarów, które pomagają rozwiązać istniejącą od 65 lat kosmiczną zagadkę dotyczącą ocieplenia atmosfery słonecznej.

Atmosfera Słońca nazywana jest koroną. Składa się z naładowanego elektrycznie gazu, tzw osocze Jego temperatura wynosi około miliona stopni Celsjusz.

Jego temperatura jest zawsze tajemnicą, ponieważ temperatura powierzchni Słońca wynosi zaledwie około 6000 stopni Celsjusza. Korona powinna być chłodniejsza niż powierzchnia, ponieważ energia słoneczna pochodzi z pieca nuklearnego w jej jądrze, a im dalej od źródła ciepła, tym naturalnie robi się chłodniej. Jednak korona jest ponad 150 razy gorętsza niż powierzchnia.

Musi istnieć inny sposób przekazania energii do plazmy, ale jaki?

Teorie i wyzwania badawcze

Od dawna podejrzewano, że turbulencje w atmosferze słonecznej mogą prowadzić do znacznego nagrzania plazmy w koronie. Jednak badając to zjawisko, fizycy zajmujący się energią słoneczną stają przed praktycznym problemem: nie da się zebrać wszystkich potrzebnych danych za pomocą tylko jednego statku kosmicznego.

Istnieją dwa sposoby badania Słońca: teledetekcja i pomiary in situ. W teledetekcji statek kosmiczny jest ustawiany w określonej odległości, a kamery służą do obserwacji Słońca i jego atmosfery na różnych długościach fal. W przypadku pomiarów in situ sonda przelatuje przez obszar, który chce zbadać i dokonuje pomiarów cząstek oraz pól magnetycznych w tej części przestrzeni.

Obydwa podejścia mają swoje zalety. Teledetekcja pokazuje wyniki na dużą skalę, ale nie pokazuje szczegółów procesów zachodzących w plazmie. Tymczasem pomiary in situ dostarczają bardzo konkretnych informacji na temat procesów zachodzących w plazmie na małą skalę, ale nie pokazują, jak wpływa to na dużą skalę.

Podwójne badanie na statku kosmicznym

Aby uzyskać pełny obraz, potrzebne są dwa statki kosmiczne. I właśnie to mają obecnie heliofizycy w postaci statku kosmicznego Solar Orbiter pilotowanego przez Europejską Agencję Kosmiczną i należącą do NASA sondę Parker Solar Probe. Sonda Solar Orbiter została zaprojektowana tak, aby zbliżyć się jak najbliżej Słońca, a jednocześnie nadal wykonywać teledetekcję i pomiary in situ. Parker Solar Probe w dużej mierze ignoruje teledetekcję samego Słońca, aby zbliżyć się i dokonać pomiarów na miejscu.

Aby jednak w pełni wykorzystać ich uzupełniające się podejście, Parker Solar Probe musi znaleźć się w polu widzenia jednego z instrumentów Solar Orbiter. W ten sposób Solar Orbiter był w stanie zarejestrować wielkoskalowe konsekwencje tego, co mierzono na miejscu za pomocą sondy Parker Solar Probe.

Należący do ESA Solar Orbiter jest jednym z dwóch zintegrowanych statków kosmicznych badających Słońce z bliskiej odległości: dołącza do należącej do NASA sondy Parker Solar Probe, która była już zaangażowana w tę misję. Źródło: Solar Orbiter: laboratorium medialne ESA/ATG; Sonda słoneczna Parker: NASA/Johns Hopkins APL

Koordynacja astrofizyczna

Daniele Telloni, badacz z Włoskiego Narodowego Instytutu Astrofizyki (INAF) w Obserwatorium Astrofizycznym w Turynie, jest częścią zespołu odpowiedzialnego za instrument Metis znajdujący się na sondzie Solar Orbiter. Metis to koronograf, który blokuje światło z powierzchni Słońca i wykonuje zdjęcia korony. Jest to idealne narzędzie do pomiarów na dużą skalę, dlatego Daniele zaczął szukać czasów, w których sonda Parker Solar Probe będzie ustawiona.

Stwierdzono, że 1 czerwca 2022 roku oba statki kosmiczne znajdą się w prawidłowej konfiguracji orbitalnej – w przybliżeniu. Zasadniczo Solar Orbiter będzie patrzył na Słońce, a Parker Solar Probe będzie tuż z boku, znacznie blisko, ale poza polem widzenia instrumentu METS.

Kiedy Daniele przyjrzał się problemowi, zdał sobie sprawę, że aby oświetlić Parker Solar Orbiter, wystarczy wykonać małe ćwiczenie z sondą Solar Orbiter: obrócić ją o 45 stopni, a następnie skierować ją nieco dalej od Słońca.

Kiedy jednak każdy manewr misji kosmicznej jest starannie planowany z wyprzedzeniem i kiedy same statki kosmiczne są zaprojektowane tak, aby wskazywały tylko bardzo określone kierunki, szczególnie w obliczu przerażającego ciepła słonecznego, nie było oczywiste, że zespół operacyjny statku kosmicznego wyrazi zgodę na taki manewr . odchylenie. Kiedy jednak wszyscy mieli już jasność co do potencjalnego zwrotu naukowego, decyzja była jasna „tak”.

Misja Solar Orbiter ESA napotka Słońce z orbity Merkurego w momencie jego największego zbliżenia. Źródło: laboratorium multimedialne ESA/ATG

Hackuj notatki

Kontynuowano sterowanie przechyleniem i przesunięciem; Sonda Parker Solar Probe znalazła się w polu widzenia i wspólnie sonda wykonała pierwsze w historii jednoczesne pomiary wielkoskalowe składu korony słonecznej i właściwości mikrofizycznych plazmy.

„Ta praca jest wynikiem wkładu wielu osób” – mówi Daniele, który kierował analizą zbiorów danych. Pracując razem, udało im się dokonać pierwszego wspólnego oszacowania obserwacyjnego i in situ szybkości nagrzewania korony.

„Możliwość wykorzystania zarówno sondy Solar Orbiter, jak i sondy Parker Solar Probe otworzyła zupełnie nowy wymiar w tych badaniach” – mówi Gary Zank z Uniwersytetu Alabama w Huntsville w USA i współautor powstałej publikacji.

Porównując nowo zmierzony współczynnik z przewidywaniami teoretycznymi dokonywanymi przez fizyków zajmujących się energią słoneczną na przestrzeni lat, Daniel wykazał, że fizycy zajmujący się energią słoneczną z grubsza mieli rację, identyfikując turbulencje jako sposób przenoszenia energii.

Artystyczna koncepcja statku kosmicznego Parker Solar Probe zbliżającego się do Słońca. Źródło zdjęcia: NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribbin

Specyficzny sposób, w jaki zaburzenie to robi, nie różni się od tego, co dzieje się, gdy mieszasz poranną kawę. Stymulując przypadkowe ruchy płynu, czy to gazu, czy cieczy, energia jest przenoszona na coraz mniejsze skale, co kończy się konwersją energii na ciepło. W przypadku korony słonecznej płyn jest również namagnesowany, dzięki czemu zmagazynowana energia magnetyczna jest również dostępna do przekształcenia w ciepło.

Takie przeniesienie energii magnetycznej i kinetycznej z większych do mniejszych skal jest istotą turbulencji. W najmniejszych skalach pozwala fluktuacjom ostatecznie oddziaływać z pojedynczymi cząstkami, głównie protonami, i podgrzewać je.

Wnioski i skutki

Trzeba jeszcze dużo pracy, zanim będziemy mogli stwierdzić, że problem ogrzewania słonecznego został rozwiązany, ale teraz, dzięki pracy Daniela, fizycy zajmujący się energią słoneczną mogli dokonać pierwszego pomiaru tego procesu.

„To pierwsze osiągnięcie naukowe. Ta praca stanowi ważny krok naprzód w rozwiązaniu problemu nagrzewania koronowego” – mówi Daniel Müller, naukowiec projektu.

Solar Orbiter to misja kosmiczna będąca efektem współpracy międzynarodowej pomiędzy ESA i ESA NASAzarządzany przez Europejską Agencję Kosmiczną.