Solar Orbiter løser magnetisk tilbakekoblingsmysterium

Solar Orbiter har foretatt den første fjernmålingsobservasjonen noensinne i samsvar med et magnetisk fenomen kalt en solar switchback – plutselige og store avbøyninger av solvindens magnetfelt. Den nye observasjonen gir en full oversikt over strukturen, og bekrefter i dette tilfellet at den har en S-formet karakter, som forutsagt. Videre indikerer det globale perspektivet gitt av Solar Orbiter-dataene at disse raskt skiftende magnetiske feltene kan ha sin opprinnelse nær overflaten av solen.

Mens en rekke romfartøyer har fløyet gjennom disse forvirrende områdene før, tillater in situ-data kun en måling på et enkelt punkt og tidspunkt. Følgelig må strukturen og formen til tilbakekoblingen utledes fra plasma- og magnetfeltegenskaper målt på ett punkt.

Da de tysk-amerikanske romfartøyene Helios 1 og 2 fløy nær solen på midten av 1970-tallet, registrerte begge sonder plutselige reverseringer av solens magnetfelt. Disse mystiske reverseringene var alltid brå og alltid midlertidige, og varte fra noen få sekunder til et antall timer før magnetfeltet byttet tilbake til sin opprinnelige retning.

Disse magnetiske strukturene ble også undersøkt i mye større avstander fra solen av romfartøyet Ulysses på slutten av 1990-tallet. I stedet for en tredjedel av jordens baneradius fra solen, der Helios-oppdragene gjorde sitt nærmeste pass, opererte Ulysses stort sett utenfor jordens bane.

Antallet deres økte dramatisk med ankomsten av NASAs Parker Solar Probe i 2018. Dette indikerte tydelig at de plutselige magnetfeltreverseringene er flere nær Solen, og førte til antydningen om at de var forårsaket av S-formede knekker i magnetfeltet . Denne forvirrende oppførselen fikk fenomenet navnet switchbacks. En rekke ideer ble foreslått om hvordan disse kunne dannes.

Den 25. mars 2022 var Solar Orbiter bare en dag unna en nærpassering av solen – som førte den innenfor banen til planeten Merkur – og Metis-instrumentet tok data. Metis blokkerer det skarpe lyset fra solens overflate og tar bilder av solens ytre atmosfære, kjent som koronaen. Partiklene i koronaen er elektrisk ladet og følger solens magnetfeltlinjer ut i verdensrommet. Selve de elektrisk ladede partiklene kalles plasma.

Rundt 20:39 UT tok Metis et bilde av solkoronaen som viste en forvrengt S-formet knekk i koronalplasmaet. For Daniele Telloni, National Institute for Astrophysics – Astrophysical Observatory of Torino, Italia, så det mistenkelig ut som en solar switchback.

Ved å sammenligne Metis-bildet, som hadde blitt tatt i synlig lys, med et samtidig bilde tatt av Solar Orbiters Extreme Ultraviolet Imager (EUI)-instrument, så han at kandidatomkoblingen fant sted over en aktiv region katalogisert som AR 12972. Aktive regioner er assosiert med solflekker og magnetisk aktivitet. Ytterligere analyse av Metis-dataene viste at hastigheten til plasmaet over denne regionen var veldig langsom, som man kunne forvente fra en aktiv region som ennå ikke har frigjort sin lagrede energi.

Daniele trodde umiddelbart at dette lignet en genereringsmekanisme for tilbakekoblingene foreslått av prof. Gary Zank, University of Alabama i Huntsville, USA. Teorien så på måten forskjellige magnetiske områder nær solens overflate samhandler med hverandre.

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.

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 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 resultatene 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, den 4. september, foretok Solar Orbiter en gravitasjonsassistanse forbi Venus for å justere banen rundt Solen; påfølgende Venus-byflukter vil begynne å øke helningen til romfartøyets bane for å få tilgang til høyere breddegrader – mer polare – områder av solen.

Merknader til redaktører

Observasjon av en magnetisk tilbakekobling i solkoronaen av D. Telloni et al er publisert i The Astrophysical Journal Letters. DOI 10.3847/2041-8213/ac8104

Forskningen vil bli presentert denne uken på det åttende Solar Orbiter-verkstedet i Belfast, Nord-Irland.

For mer informasjon, vennligst kontakt:
ESA Media Relations
[email protected]