Die Parker Solar Probe (PSP) der NASA hat den Ursprung und die Struktur des Sonnenwinds nahe der Sonnenoberfläche entdeckt und dabei hochenergetische Teilchen beobachtet, die an Strömungen in koronalen Löchern ausgerichtet sind. Diese Entdeckung, die auf eine magnetische Wiederverbindung in diesen Regionen hinweist, verbessert unser Verständnis und unsere Vorhersage von Sonnenstürmen, die sich auf die Erde auswirken. Bildnachweis: NASA GSFC/CIL/Brian Monroe
Die NASA-Sonde Parker Solar Probe kam nahe genug an die Sonnenoberfläche, um verborgene körnige Strukturen zu erkennen.
Die Parker Solar Probe (PSP) der NASA ist nahe genug an die Sonne geflogen, um die Feinstruktur des Sonnenwinds in der Nähe seiner Entstehungsstelle an der Sonnenoberfläche zu erkennen und Details zu offenbaren, die verloren gehen, wenn der Wind als gleichmäßiger Windstoß aus der Korona austritt geladene Partikel.
Es ist, als würde man Wasserstrahlen sehen, die aus einem Duschkopf austreten, während einem der Wasserstrahl ins Gesicht trifft.
In einem Artikel, der am 7. Juni in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Naturberichtet ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Stuart D. Bale, Professor für Physik an der University of California, Berkeley, und James Drake von der University of Maryland-College Park, dass PSP Ströme hochenergetischer Teilchen entdeckt hat, die mit dem übereinstimmen Supergranulation fließt innerhalb koronaler Löcher, was darauf hindeutet, dass dies die Regionen sind, in denen der sogenannte „schnelle“ Sonnenwind entsteht.
Koronale Löcher sind Bereiche, in denen Magnetfeldlinien aus der Oberfläche austreten, ohne nach innen zurückzulaufen, und so offene Feldlinien bilden, die sich nach außen ausdehnen und den größten Teil des Raums um die Sonne ausfüllen. Diese Löcher befinden sich normalerweise während der Ruhephasen der Sonne an den Polen, sodass der schnelle Sonnenwind, den sie erzeugen, die Erde nicht trifft. Aber wenn die Sonne alle 11 Jahre aktiv wird und ihr Magnetfeld umkehrt, erscheinen diese Löcher überall auf der Oberfläche und erzeugen Sonnenwindstöße, die direkt auf die Erde gerichtet sind.
Künstlerisches Konzept der Raumsonde Parker Solar Probe, die sich der Sonne nähert. Die 2018 gestartete Sonde verbessert unsere Fähigkeit, große Weltraumwetterereignisse vorherzusagen, die sich auf das Leben auf der Erde auswirken. Bildnachweis: NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben
Zu verstehen, wie und wo der Sonnenwind entsteht, wird dabei helfen, Sonnenstürme vorherzusagen, die zwar wunderschöne Polarlichter auf der Erde erzeugen, aber auch verheerende Schäden bei Satelliten und dem Stromnetz anrichten können.
„Winde transportieren viele Informationen von der Sonne zur Erde, daher ist es aus praktischen Gründen auf der Erde wichtig, den Mechanismus hinter dem Sonnenwind zu verstehen“, sagte Drake. „Das wird unsere Fähigkeit beeinträchtigen zu verstehen, wie die Sonne Energie freisetzt und geomagnetische Stürme antreibt, die eine Bedrohung für unsere Kommunikationsnetze darstellen.“
Basierend auf der Analyse des Teams sind die koronalen Löcher wie Schauerköpfe, mit ungefähr gleichmäßig verteilten Strahlen, die aus hellen Stellen austreten, an denen magnetische Feldlinien in die Sonnenoberfläche hinein- und wieder herauslaufen. Die Wissenschaftler argumentieren, dass, wenn entgegengesetzt gerichtete Magnetfelder in diesen Trichtern, die einen Durchmesser von 18.000 Meilen haben können, aneinander vorbeiströmen, die Felder oft aufbrechen und sich wieder verbinden, wodurch geladene Teilchen aus der Sonne geschleudert werden.
„Die Photosphäre ist von Konvektionszellen bedeckt, wie in einem kochenden Topf mit Wasser, und der Konvektionsfluss im größeren Maßstab wird Supergranulation genannt“, sagte Bale. „Wo sich diese Supergranulationszellen treffen und nach unten wandern, ziehen sie das Magnetfeld auf ihrem Weg in diesen nach unten gerichteten Trichter. Das Magnetfeld wird dort sehr intensiviert, weil es einfach blockiert ist. Es ist eine Art Magnetfeld, das in einen Abfluss fließt. Und die räumliche Trennung dieser kleinen Abflüsse, dieser Trichter, ist das, was wir jetzt anhand der Daten von Sonnensonden sehen.“
Basierend auf dem Vorhandensein einiger extrem energiereicher Teilchen, die PSP entdeckt hat – Teilchen, die sich 10 bis 100 Mal schneller als der Durchschnitt des Sonnenwinds fortbewegen – kommen die Forscher zu dem Schluss, dass der Wind nur durch diesen Prozess erzeugt werden konnte, der als magnetische Rekonnektion bezeichnet wird. Das PSP wurde 2018 in erster Linie ins Leben gerufen, um zwei widersprüchliche Erklärungen für den Ursprung der hochenergetischen Teilchen, aus denen der Sonnenwind besteht, zu klären: magnetische Wiederverbindung oder Beschleunigung durch[{” attribute=””>plasma or Alfvén waves.
“The big conclusion is that it’s magnetic reconnection within these funnel structures that’s providing the energy source of the fast solar wind,” Bale said. “It doesn’t just come from everywhere in a coronal hole, it’s substructured within coronal holes to these supergranulation cells. It comes from these little bundles of magnetic energy that are associated with the convection flows. Our results, we think, are strong evidence that it’s reconnection that’s doing that.”
The funnel structures likely correspond to the bright jetlets that can be seen from Earth within coronal holes, as reported recently by Nour Raouafi, a co-author of the study and the Parker Solar Probe project scientist at the Applied Physics Laboratory at Johns Hopkins University. APL designed, built, manages, and operates the spacecraft.
Plunging into the sun
By the time the solar wind reaches Earth, 93 million miles from the sun, it has evolved into a homogeneous, turbulent flow of roiling magnetic fields intertwined with charged particles that interact with Earth’s own magnetic field and dump electrical energy into the upper atmosphere. This excites atoms, producing colorful auroras at the poles, but has effects that trickle down into Earth’s atmosphere. Predicting the most intense winds, called solar storms, and their near-Earth consequences is one mission of NASA’s Living With a Star program, which funded PSP.
The probe was designed to determine what this turbulent wind looks like where it’s generated near the sun’s surface, or photosphere, and how the wind’s charged particles — protons, electrons, and heavier ions, primarily helium nuclei — are accelerated to escape the sun’s gravity.
To do this, PSP had to get closer than 25 to 30 solar radii, that is, closer than about 13 million miles.
“Once you get below that altitude, 25 or 30 solar radii or so, there’s a lot less evolution of the solar wind, and it’s more structured — you see more of the imprints of what was on the sun,” Bale said.
In 2021, PSP’s instruments recorded magnetic field switchbacks in the Alfvén waves that seemed to be associated with the regions where the solar wind is generated. By the time the probe reached about 12 solar radii from the surface of the sun — 5.2 million miles — the data were clear that the probe was passing through jets of material, rather than mere turbulence. Bale, Drake, and their colleagues traced these jets back to the supergranulation cells in the photosphere, where magnetic fields bunch up and funnel into the sun.
But were the charged particles being accelerated in these funnels by magnetic reconnection, which would slingshot particles outward, or by waves of hot plasma — ionized particles and magnetic field — streaming out of the sun, as if they’re surfing a wave?
The fact that PSP detected extremely high-energy particles in these jets — tens to hundreds of kiloelectron volts (keV), versus a few keV for most solar wind particles — told Bale that it has to be magnetic reconnection that accelerates the particles and generates the Alfvén waves, which likely give the particles an extra boost.
“Our interpretation is that these jets of reconnection outflow excite Alfvén waves as they propagate out,” Bale said. “That’s an observation that’s well known from Earth’s magnetotail, as well, where you have similar kinds of processes. I don’t understand how wave damping can produce these hot particles up to hundreds of keV, whereas it comes naturally out of the reconnection process. And we see it in our simulations, too. ”
The PSP won’t be able to get any closer to the sun than about 8.8 solar radii above the surface — about 4 million miles — without frying its instruments. Bale expects to solidify the team’s conclusions with data from that altitude, though the sun is now entering solar maximum, when activity becomes much more chaotic and may obscure the processes the scientists are trying to view.
“There was some consternation at the beginning of the solar probe mission that we’re going to launch this thing right into the quietest, most dull part of the solar cycle,” Bale said. “But I think without that, we would never have understood this. It would have been just too messy. I think we’re lucky that we launched it in the solar minimum.”
Reference: “Interchange reconnection as the source of the fast solar wind within coronal holes” by S. D. Bale, J. F. Drake, M. D. McManus, M. I. Desai, S. T. Badman, D. E. Larson, M. Swisdak, T. S. Horbury, N. E. Raouafi, T. Phan, M. Velli, D. J. McComas, C. M. S. Cohen, D. Mitchell, O. Panasenco and J. C. Kasper, 7 June 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05955-3