Rezolvă un mister cosmic vechi de 65 de ani

Atmosfera exterioară a Soarelui, cunoscută sub numele de coroană, poate fi văzută extinzându-se în spațiu în această imagine de la instrumentul Metis al Solar Orbiter. Metis este un dispozitiv cu mai multe lungimi de undă, care funcționează pe lungimi de undă vizibile și ultraviolete. Este un coronagraf, ceea ce înseamnă că blochează lumina strălucitoare a soarelui de la suprafața Soarelui, lăsând vizibilă lumina slabă care împrăștie particulele în coroană. În această imagine, discul roșu neclar reprezintă corona, în timp ce discul alb este o mască pentru a comprima dimensiunea imaginii pentru a reduce cantitatea de date inutile asociate cu legătura în jos. Credit imagine: echipa ESA și NASA/Solar Orbiter/METIS; Dr.. Tiloni și colab. (2023)

O aliniere cosmică și câteva exerciții de nave spațiale au oferit o măsurătoare revoluționară care ajută la rezolvarea misterului cosmic vechi de 65 de ani, despre motivul pentru care atmosfera soarelui se încălzește.

Atmosfera soarelui se numește coroană. Este format dintr-un gaz încărcat electric cunoscut sub numele de plasmă Temperatura sa este de aproximativ un milion de grade Celsius.

Temperatura sa este întotdeauna un mister, deoarece temperatura de suprafață a Soarelui este de doar aproximativ 6.000 de grade Celsius. Corona ar trebui să fie mai rece decât suprafața, deoarece energia Soarelui provine din cuptorul nuclear din miezul său, iar lucrurile se răcesc în mod natural cu cât sunt mai departe de sursa de căldură. Cu toate acestea, corona este de peste 150 de ori mai fierbinte decât suprafața.

Trebuie să existe o altă modalitate de a transfera energie în plasmă, dar ce?

Teorii și provocări ale investigației

S-a bănuit de mult timp că turbulențele din atmosfera solară ar putea duce la încălzirea semnificativă a plasmei din coroană. Dar când vine vorba de investigarea acestui fenomen, fizicienii solari se confruntă cu o problemă practică: este imposibil să colecteze toate datele de care au nevoie doar cu o singură navă spațială.

Există două moduri de a explora Soarele: teledetecție și măsurători in situ. În teledetecție, nava spațială este poziționată la o anumită distanță și camerele sunt folosite pentru a privi soarele și atmosfera lui la diferite lungimi de undă. Pentru măsurători in situ, nava spațială zboară prin zona pe care dorește să o exploreze și efectuează măsurători ale particulelor și câmpurilor magnetice din acea parte a spațiului.

Ambele abordări au avantajele lor. Teledetecția arată rezultate la scară largă, dar nu detalii despre procesele care au loc în plasmă. Între timp, măsurătorile in situ oferă informații foarte specifice despre procesele la scară mică din plasmă, dar nu arată cum afectează acest lucru la scară largă.

Investigație dublă în nave spațiale

Pentru a obține o imagine completă, sunt necesare două nave spațiale. Și exact asta au heliofizicienii în prezent sub forma navei spațiale Solar Orbiter pilotată de Agenția Spațială Europeană și Parker Solar Probe de la NASA. Solar Orbiter este proiectat să se apropie cât mai mult posibil de Soare și să efectueze în continuare teledetecție, precum și măsurători in situ. Sonda solară Parker ignoră în mare măsură teledetecția Soarelui însuși pentru a se apropia mai mult pentru a-și efectua măsurătorile in situ.

Dar pentru a profita din plin de abordarea lor complementară, Parker Solar Probe trebuie să fie în câmpul vizual al unuia dintre instrumentele Solar Orbiter. În acest fel, Solar Orbiter a reușit să înregistreze consecințele pe scară largă a ceea ce măsura Parker Solar Probe in situ.

Solar Orbiter al ESA este una dintre cele două nave spațiale integrate care studiază Soarele la distanță apropiată: se alătură sondei solare Parker a NASA, care era deja implicată în misiunea sa. Sursa: Solar Orbiter: ESA/ATG medialab; Parker Solar Probe: NASA/Johns Hopkins APL

Coordonarea astrofizică

Daniele Telloni, cercetător la Institutul Național de Astrofizică Italian (INAF) de la Observatorul de Astrofizică din Torino, face parte din echipa din spatele instrumentului Metis al Solar Orbiter. Metis este un coronagraf care blochează lumina de la suprafața Soarelui și face fotografii ale coroanei. Este instrumentul perfect de utilizat pentru măsurători la scară largă, așa că Daniele a început să caute momente în care Parker Solar Probe s-ar alinia.

S-a constatat că la 1 iunie 2022, cele două nave spațiale vor fi în configurația orbitală corectă – aproximativ. În esență, Solar Orbiter va privi Soarele, iar Parker Solar Probe va fi chiar în lateral, dramatic aproape, dar în afara câmpului vizual al instrumentului METS.

Când Daniele s-a uitat la problemă, și-a dat seama că tot ceea ce ar fi nevoie pentru a lumina Parker Solar Orbiter a fost un mic exercițiu cu Solar Orbiter: o rotire de 45 de grade și apoi îndreptat-o ​​ușor departe de Soare.

Dar când fiecare manevră a misiunii spațiale este planificată cu atenție în avans și atunci când navele spațiale în sine sunt proiectate să îndrepte doar în direcții foarte specifice, mai ales atunci când se confruntă cu căldura înfricoșătoare a Soarelui, nu era evident că echipa de operațiuni a navei spațiale ar autoriza o astfel de manevră. . deviere. Cu toate acestea, odată ce toată lumea a fost clară cu privire la potențiala revenire științifică, decizia a fost un „da”.

Misiunea Solar Orbiter a ESA va întâlni Soarele din interiorul orbitei lui Mercur la cea mai apropiată apropiere. Sursa: ESA/ATG medialab

Hack note

Direcția de rulare și deplasare a continuat; Sonda solară Parker a intrat în câmpul vizual și, împreună, nava spațială a produs primele măsurători simultane ale compoziției la scară largă a coroanei solare și ale proprietăților microfizice ale plasmei.

„Această lucrare este rezultatul contribuțiilor multor oameni”, spune Daniele, care a condus analiza seturilor de date. Lucrând împreună, au reușit să facă prima estimare comună observațională și in situ a ratei de încălzire coronală.

„Potând folosi atât Solar Orbiter, cât și Parker Solar Probe a deschis o dimensiune cu totul nouă în această cercetare”, spune Gary Zank, de la Universitatea din Alabama din Huntsville, SUA, și co-autor al lucrării rezultate.

Comparând rata nou măsurată cu previziunile teoretice făcute de fizicienii solari de-a lungul anilor, Daniele a arătat că fizicienii solari au fost aproximativ corecti în identificarea turbulenței ca mijloc de transfer de energie.

Conceptul artistic al navei spațiale Parker Solar Probe care se apropie de Soare. Credit imagine: NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben

Modul specific în care tulburarea face acest lucru nu este diferit de ceea ce se întâmplă atunci când vă amestecați ceașca de cafea de dimineață. Prin stimularea mișcărilor aleatorii ale unui fluid, fie el gaz sau lichid, energia este transferată la scari tot mai mici, care culminează cu conversia energiei în căldură. În cazul coroanei solare, fluidul este, de asemenea, magnetizat și astfel energia magnetică stocată este, de asemenea, disponibilă pentru a fi transformată în căldură.

Un astfel de transfer de energie magnetică și energie cinetică de la scară mai mare la scară mai mică este esența turbulenței. La cele mai mici scale, permite fluctuațiilor să interacționeze în cele din urmă cu particulele individuale, în principal protoni, și să le încălzească.

Concluzii și implicații

Este nevoie de mult mai multă muncă înainte de a putea spune că problema încălzirii solare a fost rezolvată, dar acum, datorită muncii lui Daniel, fizicienii solari au reușit să facă prima măsurare a acestui proces.

„Aceasta este o premieră științifică. Această lucrare reprezintă un pas important înainte în rezolvarea problemei încălzirii coronale”, spune Daniel Müller, om de știință al proiectului.

Solar Orbiter este o misiune spațială de cooperare internațională între ESA și ESA NASAgestionat de Agenția Spațială Europeană.