Krachtige zonnevlammen, adembenemende uitzichten over de zonnepolen en een merkwaardige zonne-egel maken deel uit van de spectaculaire beelden, films en gegevens die door de Solar Orbiter zijn teruggestuurd na zijn eerste nadering van de zon. Hoewel de analyse van de nieuwe dataset nog maar net is begonnen, is nu al duidelijk dat deze missie onder leiding van het ESA de meest bijzondere inzichten oplevert in het magnetische gedrag van de zon en de manier waarop dit het ruimteweer beïnvloedt.
Solar Orbiter naderde de zon het dichtst, het zogeheten perihelium, op 26 maart 2022. Het ruimtevaartuig bevond zich in de baan van Mercurius, op ongeveer een derde van de afstand van de zon tot de aarde, en zijn hitteschild bereikte een temperatuur van ongeveer 500°C. Maar het voerde die hitte af met zijn innovatieve technologie om het ruimtevaartuig veilig en functionerend te houden.
Solar Orbiter bevat tien wetenschappelijke instrumenten, negen onder leiding van ESA-lidstaten en één van NASA, die allemaal nauw samenwerken om een ongekend inzicht te verschaffen in hoe onze lokale ster 'werkt'. Sommige zijn instrumenten die op afstand naar de zon kijken, terwijl andere in-situ-instrumenten zijn die de omstandigheden rond het ruimtevaartuig in de gaten houden, zodat wetenschappers de punten kunnen verbinden van wat ze zien gebeuren op de zon met wat de Solar Orbiter 'voelt' op zijn locatie in de zonnewind miljoenen kilometers verderop.
Wat het perihelium betreft, is het duidelijk dat hoe dichter het ruimtevaartuig bij de zon komt, hoe fijner de details zijn die het teledetectie-instrument kan zien. Het ruimtevaartuig heeft ook verschillende zonnevlammen en zelfs een op de aarde gerichte coronale massa-ejectie opgevangen, zodat het een voorproefje heeft kunnen nemen van realtime ruimteweersvoorspellingen, een inspanning die steeds belangrijker wordt omdat ruimteweer een bedreiging vormt voor de technologie en de astronauten.
Voorstelling van de zonne-egel
"De beelden zijn echt adembenemend," zegt David Berghmans, Koninklijke Sterrenwacht van België, en de hoofdonderzoeker (PI) van het Extreme Ultraviolet Imager (EUI) instrument, dat hogeresolutiebeelden maakt van de onderste lagen van de atmosfeer van de zon, bekend als de zonnecorona. In dit gebied vindt de meeste zonneactiviteit plaats die de oorzaak is van het ruimteweer. De taak van het EUI-team is nu te begrijpen wat zij zien. Dit is geen gemakkelijke taak omdat de Solar Orbiter zoveel activiteit op de zon op kleine schaal aan het licht brengt. Als ze een verschijnsel of een gebeurtenis hebben waargenomen die ze niet meteen herkennen, moeten ze door eerdere zonnewaarnemingen van andere ruimtemissies spitten om te zien of iets soortgelijks al eerder is waargenomen.
"Zelfs als Solar Obiter morgen zou stoppen met gegevens verzamelen, zou ik nog jaren bezig zijn om dit allemaal uit te zoeken," zegt David Berghmans. Tijdens dit perihelium werd een bijzonder opvallend verschijnsel waargenomen. Voorlopig heeft het de bijnaam 'de egel' gekregen. Hij strekt zich uit over 25.000 kilometer van de zon en heeft een veelheid aan pieken van heet en kouder gas die in alle richtingen uitsteken.
Het belangrijkste wetenschappelijke doel van de Solar Orbiter is het verband tussen de zon en de heliosfeer te onderzoeken. De heliosfeer is de grote 'bel' in de ruimte die zich uitstrekt voorbij de planeten van ons zonnestelsel. Hij is gevuld met elektrisch geladen deeltjes, waarvan de meeste door de zon zijn uitgestoten om de zonnewind te vormen. Het is de beweging van deze deeltjes en de bijbehorende magnetische velden van de zon die ruimteweer creëren. Om de effecten van de zon op de heliosfeer in kaart te brengen, moeten de resultaten van de in-situ-instrumenten, die de deeltjes en magnetische velden registreren die over het ruimtevaartuig bewegen, worden teruggevoerd tot gebeurtenissen op of nabij het zichtbare oppervlak van de zon, die worden geregistreerd door de teledetectie-instrumenten.
Dit is geen gemakkelijke taak omdat de magnetische omgeving rond de zon zeer complex is, maar hoe dichter het ruimtevaartuig bij de zon kan komen, hoe minder ingewikkeld het is om gebeurtenissen met deeltjes langs de "snelwegen" van magnetische veldlijnen terug te traceren naar de zon. Het eerste perihelium was een belangrijke test hiervoor, en de resultaten tot nu toe zien er veelbelovend uit. Op 21 maart, een paar dagen voor het perihelium, trok een wolk van energetische deeltjes over het ruimteschip. Deze werd gedetecteerd door de Energetic Particle Detector (EPD). Het is veelzeggend dat de meest energierijke deeltjes het eerst arriveerden, gevolgd door deeltjes met een steeds lagere energie.
"Dit suggereert dat de deeltjes niet in de buurt van het ruimteschip worden geproduceerd," zegt Javier Rodríguez-Pacheco, Universiteit van Alcalá, Spanje, en hoofdonderzoeker van EPD. In plaats daarvan werden ze geproduceerd in de zonneatmosfeer, dichter bij het oppervlak van de zon. Terwijl ze de ruimte doorkruisten, trokken de snellere deeltjes voor op de langzamere, als hardlopers in een sprint. Op dezelfde dag zag het Radio and Plasma Waves (RPW) experiment ze aankomen, door de sterke karakteristieke golf van radiofrequenties op te pikken die wordt geproduceerd wanneer versnelde deeltjes - meestal elektronen - langs de magnetische veldlijnen van de zon naar buiten spiraliseren. RPW ontdekte vervolgens oscillaties die bekend staan als Langmuir-golven. "Deze zijn een teken dat de energetische elektronen bij het ruimtevaartuig zijn aangekomen," zegt Milan Maksimovic, LESIA, Observatoire de Paris, Frankrijk, en hoofdonderzoeker van RPW.
Van de instrumenten voor teledetectie hebben zowel EUI als de röntgenspectrometer/telescoop (STIX) gebeurtenissen op de zon gezien die verantwoordelijk zouden kunnen zijn geweest voor het vrijkomen van de deeltjes. Hoewel EPD en RPW de deeltjes hebben waargenomen die naar buiten de ruimte in stromen, is het belangrijk te bedenken dat andere deeltjes vanuit de gebeurtenis naar beneden kunnen reizen en de lagere niveaus van de atmosfeer van de zon kunnen treffen. Dit is waar STIX om de hoek komt kijken. Terwijl EUI het ultraviolette licht ziet dat vrijkomt op de plaats van de zonnevlam in de atmosfeer van de zon, ziet STIX de röntgenstraling die wordt geproduceerd wanneer elektronen die door de zonnevlam worden versneld, reageren met atoomkernen in de onderste lagen van de atmosfeer van de zon.
Hoe deze waarnemingen precies met elkaar in verband staan, moeten de teams nu onderzoeken. De samenstelling van de deeltjes die door EPD zijn waargenomen, wijst erop dat ze waarschijnlijk zijn versneld door een coronale schok in een meer geleidelijke gebeurtenis in plaats van impulsief door een zonnevlam. "Het zou kunnen dat je meerdere versnellingsplaatsen hebt," zegt Samuel Krucker, FHNW, Zwitserland, en hoofdonderzoeker voor STIX.
Deze situatie wordt nog verergerd door het feit dat het Magnetometer-instrument (MAG) op dat moment niets substantieels registreerde. Dit is echter niet ongebruikelijk. De eerste uitbarsting van deeltjes, bekend als een Coronal Mass Ejection (CME), draagt een sterk magnetisch veld met zich mee dat de MAG gemakkelijk kan registreren, maar energetische deeltjes van de gebeurtenis reizen veel sneller dan de CME en kunnen snel grote volumes van de ruimte vullen, en daarom worden gedetecteerd door Solar Orbiter. "Maar als de CME het ruimteschip mist, zal MAG geen signatuur zien," zegt Tim Horbury, Imperial College, UK, en hoofdonderzoeker van MAG. Wat het magnetisch veld betreft, begint alles op het zichtbare oppervlak van de zon, de zogenaamde fotosfeer. Hier barst het inwendig opgewekte magnetische veld de ruimte in. Om te weten hoe dit eruit ziet, is in de Solar Orbiter het Polarimetric and Helioseismic Imager (PHI) instrument ingebouwd. Dit instrument kan de magnetische noord- en zuidpolariteit op de fotosfeer zien, evenals de rimpeling van het oppervlak van de zon als gevolg van seismische golven die door het inwendige van de zon reizen.
"Wij leveren de magnetische veldmetingen aan het oppervlak van de zon. Dit veld breidt zich vervolgens uit, gaat naar de corona en is in feite de motor achter alle schittering en actie die je daarboven ziet," zegt Sami Solanki, Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, Göttingen, Duitsland, en de hoofdonderzoeker voor PHI. Een ander instrument, de Spectral Imaging of the Coronal Environment (SPICE), registreert de samenstelling van de corona. Deze 'abundantiekaarten' kunnen worden vergeleken met de inhoud van de zonnewind die door het instrument Solar Wind Analyser (SWA) wordt waargenomen. "Hiermee kan de evolutie van de samenstelling van de zonnewind van de zon naar het ruimtevaartuig worden gevolgd, en dat vertelt ons iets over de mechanismen die verantwoordelijk zijn voor de versnelling van de zonnewind," zegt SPICE PI Frédéric Auchère, Institut d'Astrophysique Spatiale, Frankrijk.
Foto: ESA & NASA/Solar Orbiter/EUI Team
Ruimteweer voorspellen
Door de gegevens van alle instrumenten te combineren, kan het wetenschapsteam het verhaal van de zonneactiviteit vanaf het oppervlak van de zon tot aan de Solar Orbiter en verder vertellen. En die kennis is precies wat de weg zal banen voor een toekomstig systeem dat ontworpen is om de ruimteweersomstandigheden op aarde in real-time te voorspellen. In de aanloop naar het perihelium kreeg de Solar Orbiter zelfs een voorproefje van hoe zo'n systeem zou kunnen werken. Het ruimtevaartuig vloog stroomopwaarts van de aarde. Dit unieke perspectief betekende dat het de omstandigheden van de zonnewind in de gaten kon houden die enkele uren later de aarde zou treffen. Aangezien het ruimtevaartuig in direct contact stond met de aarde en zijn signalen met de snelheid van het licht reisden, kwamen de gegevens binnen enkele minuten aan op de grond, klaar voor analyse. Het toeval wilde dat er rond deze tijd verschillende coronale massa-ejecties (CME) werden waargenomen, waarvan sommige rechtstreeks op de aarde afkoersten.
Op 10 maart raasde een CME over het ruimteschip. Aan de hand van gegevens van de MAG kon het team voorspellen wanneer deze vervolgens de aarde zou raken. Door dit nieuws via de sociale media bekend te maken, konden hemelwachters zich voorbereiden op het noorderlicht, dat ongeveer 18 uur later op de voorspelde tijd arriveerde. Deze ervaring gaf Solar Orbiter een voorproefje van hoe het is om het ruimteweer op aarde in real time te voorspellen. Een dergelijke inspanning wordt steeds belangrijker vanwege de bedreiging die ruimteweer vormt voor technologie en astronauten.
De ESA plant momenteel een missie, ESA Vigil genaamd, die aan één kant van de zon zal worden gestationeerd en zal kijken naar het gebied in de ruimte dat naar de aarde toe leidt. De taak van deze missie zal zijn om CME's in beeld te brengen die door dit gebied reizen, met name CME's die op onze planeet afkomen. Tijdens het perihelium zelf is de Solar Orbiter zo gepositioneerd dat zijn instrumenten Metis en SoloHI precies dit soort beelden en gegevens kunnen opleveren.
Metis maakt foto's van de corona van 1,7 tot 3 zonnestralen. Door de heldere zonneschijf uit te schakelen, ziet hij de vagere corona. "Het geeft dezelfde details als waarnemingen van totale zonsverduisteringen op de grond, maar in plaats van een paar minuten kan Metis continu waarnemen," zegt Marco Romoli, Universiteit van Florence, Italië, en hoofdonderzoeker voor Metis. SoloHI neemt beelden op van zonlicht dat wordt verstrooid door de elektronen in de zonnewind. Eén specifieke zonnevlam, op 31 maart, kwam in de X-klasse terecht, de meest energetische zonnevlammen die we kennen. De gegevens zijn nog niet geanalyseerd omdat een groot deel ervan nog op het ruimtevaartuig staat te wachten om te worden gedownload. Nu de Solar Orbiter zich verder van de aarde bevindt, is de snelheid van de gegevensoverdracht vertraagd en moeten de onderzoekers geduld hebben - maar ze zijn meer dan klaar om met hun analyse te beginnen zodra de gegevens binnenkomen.
"We zijn altijd geïnteresseerd in de grote gebeurtenissen omdat die de grootste reacties en de interessantste fysica opleveren omdat je naar de extremen kijkt," zegt Robin Colaninno, U.S. Naval Research Laboratory, Washington DC, en hoofdonderzoeker van SoloHI.
Het lijdt geen twijfel dat de instrumententeams nu hun werk hebben gedaan. Het perihelium was een groot succes en heeft een enorme hoeveelheid buitengewone gegevens opgeleverd. En het is nog maar een voorproefje van wat komen gaat. Het ruimtevaartuig raast nu al door de ruimte om zich op te stellen voor zijn volgende - en iets kortere - periheliumpassage op 13 oktober op 0,29 keer de afstand tussen de aarde en de zon. Voor die tijd, op 4 september, zal het zijn derde Flyby maken van Venus. Solar Orbiter heeft al zijn eerste foto's genomen van de grotendeels onontdekte poolgebieden van de zon, maar er staat ons nog veel meer te wachten.
Op 18 februari 2025 zal de Solar Orbiter Venus voor een vierde keer tegenkomen. Dit zal de helling van de baan van het ruimtevaartuig verhogen tot ongeveer 17 graden. De vijfde Venus flyby op 24 december 2026 zal deze nog verder verhogen tot 24 graden, en zal het begin zijn van de 'high-latitude' missie. In deze fase zal de Solar Orbiter de polaire gebieden van de zon directer dan ooit tevoren kunnen zien. Zulke zichtlijnwaarnemingen zijn essentieel om de complexe magnetische omgeving aan de polen te ontrafelen, die op zijn beurt het geheim kan bevatten van de 11-jarige cyclus van wassende en afnemende activiteit van de zon.
"We zijn erg blij met de kwaliteit van de gegevens van ons eerste perihelium," zegt Daniel Müller, ESA Project Scientist voor Solar Orbiter. "Het is bijna niet te geloven dat dit nog maar het begin van de missie is. We zullen het nog heel druk krijgen."
Bron: ESA
