Lösen Sie ein 65 Jahre altes kosmisches Rätsel

Eine kosmische Ausrichtung und einige Raumsondenübungen haben zu einer bahnbrechenden Messung geführt, die dabei hilft, das 65 Jahre alte kosmische Rätsel zu lösen, warum sich die Sonnenatmosphäre erwärmt.

Die Atmosphäre der Sonne wird Korona genannt. Es besteht aus einem elektrisch geladenen Gas, genannt Plasma Seine Temperatur beträgt etwa eine Million Grad Celsius.

Seine Temperatur ist immer ein Rätsel, da die Oberflächentemperatur der Sonne nur etwa 6.000 Grad Celsius beträgt. Die Korona sollte kühler sein als die Oberfläche, da die Energie der Sonne aus dem Kernofen in ihrem Kern stammt und die Dinge natürlicherweise kühler werden, je weiter sie von der Wärmequelle entfernt sind. Allerdings ist die Korona mehr als 150-mal heißer als die Oberfläche.

Es muss einen anderen Weg geben, Energie auf das Plasma zu übertragen, aber was?

Theorien und Herausforderungen der Untersuchung

Es wird seit langem vermutet, dass Turbulenzen in der Sonnenatmosphäre zu einer erheblichen Erwärmung des Plasmas in der Korona führen könnten. Doch bei der Untersuchung dieses Phänomens stehen Sonnenphysiker vor einem praktischen Problem: Es ist unmöglich, alle benötigten Daten mit nur einer Raumsonde zu sammeln.

Es gibt zwei Möglichkeiten, die Sonne zu erforschen: Fernerkundung und In-situ-Messungen. Bei der Fernerkundung wird das Raumschiff in einer bestimmten Entfernung positioniert und es werden Kameras verwendet, um die Sonne und ihre Atmosphäre bei verschiedenen Wellenlängen zu betrachten. Bei In-situ-Messungen fliegt die Raumsonde durch das Gebiet, das sie erforschen möchte, und misst dort Partikel und Magnetfelder.

Beide Ansätze haben ihre Vorteile. Die Fernerkundung liefert großräumige Ergebnisse, jedoch keine Details zu den im Plasma ablaufenden Prozessen. Mittlerweile liefern In-situ-Messungen sehr spezifische Informationen über kleinräumige Prozesse im Plasma, zeigen aber nicht, wie sich diese auf den großen Maßstab auswirken.

Doppelte Untersuchung in Raumfahrzeugen

Um ein vollständiges Bild zu erhalten, sind zwei Raumschiffe erforderlich. Und genau das haben Heliophysiker derzeit in Form der von der Europäischen Weltraumorganisation gesteuerten Raumsonde Solar Orbiter und der Parker Solar Probe der NASA. Solar Orbiter ist darauf ausgelegt, der Sonne so nahe wie möglich zu kommen und dennoch Fernerkundungs- und In-situ-Messungen durchzuführen. Die Parker Solar Probe ignoriert weitgehend die Fernerkundung der Sonne selbst, um näher heranzukommen und ihre Messungen vor Ort durchzuführen.

Um ihren komplementären Ansatz jedoch voll ausnutzen zu können, muss sich die Parker Solar Probe im Sichtfeld eines der Instrumente des Solar Orbiter befinden. Auf diese Weise konnte Solar Orbiter die großräumigen Konsequenzen dessen aufzeichnen, was die Parker Solar Probe vor Ort maß.

Der Solar Orbiter der ESA ist eines von zwei integrierten Raumfahrzeugen, die die Sonne aus nächster Nähe untersuchen: Er schließt sich der Parker Solar Probe der NASA an, die bereits an ihrer Mission beteiligt war. Quelle: Solar Orbiter: ESA/ATG medialab; Parker Solar Probe: NASA/Johns Hopkins APL

Astrophysikalische Koordination

Daniele Telloni, Forscher am Italienischen Nationalen Institut für Astrophysik (INAF) am Astrophysikalischen Observatorium in Turin, ist Teil des Teams hinter dem Metis-Instrument des Solar Orbiter. Metis ist ein Koronograph, der das Licht von der Sonnenoberfläche blockiert und Bilder der Korona aufnimmt. Es ist das perfekte Werkzeug für groß angelegte Messungen, also begann Daniele nach Zeitpunkten zu suchen, an denen die Parker Solar Probe auftauchen würde.

Es wurde festgestellt, dass sich die beiden Raumschiffe am 1. Juni 2022 in der richtigen Orbitalkonfiguration befinden werden – ungefähr. Im Wesentlichen wird der Solar Orbiter auf die Sonne blicken, und die Parker Solar Probe wird direkt daneben sein, dramatisch nah, aber außerhalb des Sichtfelds des METS-Instruments.

Als Daniele sich das Problem ansah, wurde ihm klar, dass alles, was nötig war, um Licht auf den Parker Solar Orbiter zu werfen, eine kleine Übung mit dem Solar Orbiter war: eine 45-Grad-Rolle und dann eine leichte Ausrichtung von der Sonne weg.

Aber wenn jedes Manöver einer Weltraummission sorgfältig im Voraus geplant wird und die Raumschiffe selbst so konstruiert sind, dass sie nur in ganz bestimmte Richtungen zeigen, insbesondere angesichts der beängstigenden Hitze der Sonne, war es nicht offensichtlich, dass das Einsatzteam des Raumfahrzeugs ein solches Manöver genehmigen würde . Abweichung. Als sich jedoch alle über die mögliche wissenschaftliche Rendite im Klaren waren, fiel die Entscheidung klar mit „Ja“.

Die Solar Orbiter-Mission der ESA wird der Sonne bei ihrer größten Annäherung aus der Umlaufbahn des Merkur begegnen. Quelle: ESA/ATG medialab

Notizen hacken

Die Roll- und Offset-Lenkung wurde fortgesetzt; Die Parker Solar Probe betrat das Sichtfeld, und zusammen mit der Raumsonde wurden die ersten gleichzeitigen Messungen der großräumigen Zusammensetzung der Sonnenkorona und der mikrophysikalischen Eigenschaften des Plasmas durchgeführt.

„Diese Arbeit ist das Ergebnis der Beiträge vieler Menschen“, sagt Daniele, der die Analyse der Datensätze leitete. Gemeinsam konnten sie die erste gemeinsame Beobachtungs- und In-situ-Schätzung der koronalen Erwärmungsrate durchführen.

„Die Möglichkeit, sowohl den Solar Orbiter als auch die Parker Solar Probe zu nutzen, hat dieser Forschung eine völlig neue Dimension eröffnet“, sagt Gary Zank von der University of Alabama in Huntsville, USA, und Mitautor der daraus resultierenden Arbeit.

Durch den Vergleich der neu gemessenen Geschwindigkeit mit theoretischen Vorhersagen, die Sonnenphysiker im Laufe der Jahre gemacht hatten, zeigte Daniele, dass Sonnenphysiker mit ihrer Identifizierung von Turbulenzen als Mittel zur Energieübertragung ungefähr richtig lagen.

Künstlerisches Konzept der Raumsonde Parker Solar Probe, die sich der Sonne nähert. Bildnachweis: NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben

Die spezifische Art und Weise, wie die Störung dies bewirkt, unterscheidet sich nicht von dem, was passiert, wenn Sie Ihre morgendliche Tasse Kaffee umrühren. Durch die Anregung zufälliger Bewegungen eines Fluids, egal ob Gas oder Flüssigkeit, wird Energie auf immer kleinere Maßstäbe übertragen, was in der Umwandlung von Energie in Wärme gipfelt. Im Fall der Sonnenkorona wird die Flüssigkeit auch magnetisiert und somit steht auch gespeicherte magnetische Energie zur Umwandlung in Wärme zur Verfügung.

Eine solche Übertragung magnetischer Energie und kinetischer Energie von größeren auf kleinere Maßstäbe ist das Wesen der Turbulenz. Auf kleinsten Skalen ermöglicht es, dass die Fluktuationen schließlich mit einzelnen Teilchen, meist Protonen, interagieren und diese erhitzen.

Schlussfolgerungen und Auswirkungen

Es bedarf noch viel mehr Arbeit, bevor wir sagen können, dass das Problem der Solarerwärmung gelöst ist, aber dank Daniels Arbeit konnten Sonnenphysiker nun die erste Messung dieses Prozesses durchführen.

„Das ist eine wissenschaftliche Premiere. Diese Arbeit stellt einen wichtigen Fortschritt bei der Lösung des Problems der koronalen Erwärmung dar“, sagt Daniel Müller, Projektwissenschaftler.

Solar Orbiter ist eine Weltraummission der internationalen Zusammenarbeit zwischen ESA und ESA NASAverwaltet von der Europäischen Weltraumorganisation.