Et magnetisk fenomen kjent som solar switchbacks har blitt avbildet av ESA/NASA Solar Orbiter-romfartøyet for første gang. Bildet zoomer inn på tilbakekoblingen (blå/hvit funksjon som strekker seg mot venstre) som fanget i solkoronaen av Metis-instrumentet 25. mars 2022. Tilbakekoblingen ser ut til å være knyttet til det aktive området sett i den sentrale Extreme Ultraviolet Imager bilde (til høyre). Kreditt: ESA & NASA/Solar Orbiter/EUI & Metis Teams og D. Telloni et al. (2022)
Med ferske data fra sin nærmeste passering av solen så langt, ESA/[{” attribute=””>NASA Solar Orbiter spacecraft has found compelling clues as to the origin of solar magnetic switchbacks. The discovery points toward how their physical formation mechanism might help accelerate the solar wind.
Solar Orbiter has made the first-ever remote sensing observation consistent with a magnetic phenomenon called a solar switchback – sudden and large deflections of the solar wind’s magnetic field. The new observation provides a full view of the structure, confirming it has an S-shaped character, as predicted. Moreover, the global perspective provided by the Solar Orbiter data indicates that these rapidly changing magnetic fields can have their origin near the surface of the Sun.
Et nærbilde av Solar Orbiter Metis-data omgjort til en film viser utviklingen av tilbakekoblingen. Sekvensen representerer rundt 33 minutter med data tatt 25. mars 2022. Den lyse strukturen dannes mens den forplanter seg utover fra solen. Når den når sin fulle utvikling, bøyer den seg tilbake på seg selv og får den forvrengte S-formen som er karakteristisk for en magnetisk tilbakekobling. Strukturen ekspanderer med en hastighet på 80 km/s, men hele strukturen beveger seg ikke med denne hastigheten. I stedet strekker den seg og forvrenger. Dette er første gang en magnetisk tilbakekobling noensinne har blitt observert eksternt. Alle andre deteksjoner har funnet sted når romfartøy har fløyet gjennom disse forstyrrede magnetiske områdene. Kreditt: ESA & NASA/Solar Orbiter/Metis Teams; D. Telloni et al. (2022)
Selv om en rekke romfartøyer har fløyet gjennom disse forvirrende områdene før, tillater in situ-data kun en måling på et enkelt punkt og tidspunkt. Som en konsekvens må strukturen og formen til tilbakekoblingen utledes fra[{” attribute=””>plasma and magnetic field properties measured at just one point.
When the German-US Helios 1 and 2 spacecraft flew close to the Sun in the mid-1970s, both probes recorded sudden reversals of the Sun’s magnetic field. These mysterious reversals were always abrupt and always temporary. They only lasted from a few seconds to a number of hours before the magnetic field switched back to its original direction.
These magnetic structures were also probed at much larger distances from the Sun by the Ulysses spacecraft in the late 1990s. Instead of a third of the Earth’s orbital radius from the Sun, where the Helios missions made their closest pass, Ulysses operated mostly beyond the Earth’s orbit.
How a solar switchback is formed infographic. Solar Orbiter has made the first ever remote sensing observation of a magnetic phenomenon called a solar ‘switchback’, proving their origin in the solar surface and pointing to a mechanism that might help accelerate the solar wind. Credit: ESA & NASA/Solar Orbiter/EUI & Metis Teams and D. Telloni et al. (2022); Zank et al. (2020)
Their number rose dramatically with the arrival of NASA’s Parker Solar Probe in 2018. This clearly indicated that the sudden magnetic field reversals are more numerous close to the Sun, and led to the suggestion that they were caused by S-shaped kinks in the magnetic field. This puzzling behavior earned the phenomenon the name of switchbacks. A number of ideas were proposed as to how these might form.
On March 25, 2022, Solar Orbiter was just a day away from a close pass of the Sun – bringing it within the orbit of planet Mercury – and its Metis instrument was taking data. Metis blocks out the bright glare of light from the Sun’s surface and takes pictures of the Sun’s outer atmosphere, known as the corona. The particles in the corona are electrically charged and follow the Sun’s magnetic field lines out into space. The electrically charged particles themselves are called a plasma.
The Sun as seen by the ESA/NASA Solar Orbiter spacecraft on March 25, 2022, one day before its closest approach of about 0.32 au, which brought it inside the orbit of planet Mercury. The central image was taken by the Extreme Ultraviolet Imager (EUI) instrument. The outer image was taken by the coronagraph Metis, an instrument that blocks out the bright light of the Sun’s surface in order to see the Sun’s faint outer atmosphere, known as the corona. The Metis image has been processed to bring out structures in the corona. This revealed the switchback (the prominent white/light blue feature at the roughly 8 o’clock position in the lower left). It appears to trace back to the active region on the surface of the Sun, where loops of magnetism have broken through the Sun’s surface. Credit: ESA & NASA/Solar Orbiter/EUI & Metis Teams and D. Telloni et al. (2022)
At around 20:39 UT, Metis recorded an image of the solar corona that showed a distorted S-shaped kink in the coronal plasma. To Daniele Telloni, National Institute for Astrophysics – Astrophysical Observatory of Torino, Italy, it looked suspiciously like a solar switchback.
Comparing the Metis image, which had been taken in visible light, with a concurrent image taken by Solar Orbiter’s Extreme Ultraviolet Imager (EUI) instrument, he saw that the candidate switchback was taking place above an active region cataloged as AR 12972. Active regions are associated with sunspots and magnetic activity. Further analysis of the Metis data showed that the speed of the plasma above this region was very slow, as would be expected from an active region that has yet to release its stored energy.
Daniele instantly thought this resembled a generating mechanism for the switchbacks proposed by Prof. Gary Zank, from the University of Alabama in Huntsville, USA. The theory looked at the way different magnetic regions near the surface of the Sun interact with each other.
ESAs Solar Orbiter har løst mysteriet med et magnetisk fenomen i solvinden. Den har tatt det første bildet noensinne av en “switchback” i solkoronaen, og bekrefter dens forutsagte “S”-form. En tilbakekobling er definert av raske vendinger i magnetfeltretningen. Den observerte tilbakekoblingen er knyttet til et aktivt område assosiert med solflekker og magnetisk aktivitet hvor det er en interaksjon mellom åpne og lukkede magnetfeltlinjer. Samspillet frigjør energi og sender den S-formede forstyrrelsen ut i rommet. De nye dataene antyder at tilbakekoblinger kan komme nær soloverflaten, og kan være viktige for å forstå akselerasjonen og oppvarmingen av solvinden. Kreditt: ESA
Nær solen, og spesielt over aktive områder, er det åpne og lukkede magnetfeltlinjer. De lukkede linjene er løkker av magnetisme som buer seg opp i solatmosfæren før de buer rundt og forsvinner tilbake i solen. Svært lite plasma kan slippe ut i verdensrommet over disse feltlinjene, og derfor har solvindens hastighet en tendens til å være langsom her. Åpne feltlinjer er omvendt, de kommer fra solen og forbinder med det interplanetære magnetfeltet til solsystemet. De er magnetiske motorveier som plasmaet kan strømme fritt langs, og gir opphav til den raske solvinden.
Daniele og Gary beviste at tilbakekoblinger oppstår når det er en interaksjon mellom et område med åpne feltlinjer og et område med lukkede feltlinjer. Etter hvert som feltlinjene flokkes sammen, kan de koble seg sammen igjen til mer stabile konfigurasjoner. Snarere som å knekke en pisk, frigjør dette energi og setter en S-formet forstyrrelse som reiser ut i verdensrommet, som et passerende romfartøy vil registrere som en tilbakekobling.
Metis observasjon av tilbakekoblingen er i samsvar med den lydteoretiske mekanismen for produksjon av solmagnetiske tilbakekoblinger foreslått i 2020 av prof. Gary Zank. Nøkkelobservasjonen var at tilbakekoblingen kunne sees utgått fra over et solaktivt område. Denne sekvensen viser hendelseskjeden som forskerne tror finner sted. (a) Aktive områder på solen kan ha åpne og lukkede magnetfeltlinjer. De lukkede linjene buer seg opp i solatmosfæren før de svinger tilbake til solen. De åpne feltlinjene forbinder med det interplanetariske magnetfeltet til solsystemet. (b) Når et åpent magnetisk område samhandler med et lukket område, kan magnetfeltlinjene kobles sammen igjen, og skaper en tilnærmet S-formet feltlinje og produserer et energiutbrudd. (c) Når feltlinjen reagerer på gjenkoblingen og frigjøringen av energi, settes en knekk som forplanter seg utover. Dette er tilbakekoblingen. En lignende tilbakekobling sendes også i motsatt retning, nedover feltlinjen og inn i solen. Kreditt: Zank et al. (2020)
I følge Gary Zank, som foreslo en av teoriene for opprinnelsen til tilbakekoblinger, “Det første bildet fra Metis som Daniele viste foreslo nesten umiddelbart tegneseriene vi hadde tegnet (se bildet over) i utviklingen av den matematiske modellen for en tilbakekobling. . Selvfølgelig var det første bildet bare et øyeblikksbilde, og vi måtte dempe entusiasmen vår til vi hadde brukt den utmerkede Metis-dekningen til å trekke ut tidsinformasjon og gjøre en mer detaljert spektralanalyse av selve bildene. Resultatene viste seg å være helt spektakulære!»
Sammen med et team av andre forskere bygde de en datamodell av atferden, og fant ut at resultatene deres lignet påfallende med Metis-bildet, spesielt etter at de inkluderte beregninger for hvordan strukturen ville forlenges under forplantningen utover gjennom solkoronaen. .
“Jeg vil si at dette første bildet av en magnetisk tilbakekobling i solkoronaen har avslørt mysteriet om deres opprinnelse,” sier Daniele, hvis resultater er publisert i en artikkel i The Astrophysical Journal Letters.
For å forstå tilbakekoblinger kan solfysikere også ta et skritt mot å forstå detaljene om hvordan solvinden akselereres og varmes opp fra solen. Dette er fordi når romfartøyer flyr gjennom switchbacks, registrerer de ofte en lokalisert akselerasjon av solvinden.
“Neste trinn er å prøve å statistisk koble tilbakekoblinger observert in situ med deres kilderegioner på solen,” sier Daniele. Med andre ord, å få et romfartøy til å fly gjennom den magnetiske reverseringen og kunne se hva som har skjedd på soloverflaten. Dette er akkurat den typen koblingsvitenskap som Solar Orbiter ble designet for å gjøre, men det betyr ikke nødvendigvis at Solar Orbiter trenger å fly gjennom tilbakekoblingen. Det kan være et annet romfartøy, for eksempel Parker Solar Probe. Så lenge in-situ-dataene og fjernmålingsdataene er samtidige, kan Daniele utføre korrelasjonen.
“Dette er akkurat den typen resultat vi håpet på med Solar Orbiter,” sier Daniel Müller, ESA Project Scientist for Solar Orbiter. “For hver bane får vi mer data fra vår suite på ti instrumenter. Basert på resultater som dette, vil vi finjustere observasjonene som er planlagt for Solar Orbiters neste solmøte for å forstå hvordan solen kobler seg til det bredere magnetiske miljøet i solsystemet. Dette var Solar Orbiters aller første nærpassering til solen, så vi forventer at mange flere spennende resultater kommer.”
Solar Orbiter’s neste nærpass av solen – igjen innenfor bane til Merkur i en avstand på 0,29 ganger jord-sol-avstanden – vil finne sted 13. oktober. Tidligere denne måneden, 4. september, foretok Solar Orbiter en tyngdekraftsassistanse forbi kl[{” attribute=””>Venus to adjust its orbit around the Sun; subsequent Venus flybys will start raising the inclination of the spacecraft’s orbit to access higher latitude – more polar – regions of the Sun.
Reference: “Observation of a Magnetic Switchback in the Solar Corona” by Daniele Telloni, Gary P. Zank, Marco Stangalini, Cooper Downs, Haoming Liang, Masaru Nakanotani, Vincenzo Andretta, Ester Antonucci, Luca Sorriso-Valvo, Laxman Adhikari, Lingling Zhao, Raffaele Marino, Roberto Susino, Catia Grimani, Michele Fabi, Raffaella D’Amicis, Denise Perrone, Roberto Bruno, Francesco Carbone, Salvatore Mancuso, Marco Romoli, Vania Da Deppo, Silvano Fineschi, Petr Heinzel, John D. Moses, Giampiero Naletto, Gianalfredo Nicolini, Daniele Spadaro, Luca Teriaca, Federica Frassati, Giovanna Jerse, Federico Landini, Maurizio Pancrazzi, Giuliana Russano, Clementina Sasso, Ruggero Biondo, Aleksandr Burtovoi, Giuseppe E. Capuano, Chiara Casini, Marta Casti, Paolo Chioetto, Yara De Leo, Marina Giarrusso, Alessandro Liberatore, David Berghmans, Frédéric Auchère, Regina Aznar Cuadrado, Lakshmi P. Chitta, Louise Harra, Emil Kraaikamp, David M. Long, Sudip Mandal, Susanna Parenti, Gabriel Pelouze, Hardi Peter, Luciano Rodriguez, Udo Schühle, Conrad Schwanitz, Phil J. Smith, Cis Verbeeck and Andrei N. Zhukov, 12 Septmeber 2022, The Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847/2041-8213/ac8104