Onder extreme omstandigheden turen twee ruimtesondes naar de gloeiende zon

Op 24 december passeerde NASA’s Parker Solar Probe de zon op kortere afstand dan enig ander ruimteschip ooit geweest is: op 6,9 miljoen kilometer, ongeveer vijf keer de diameter van de zon. Daar is de straling van de zon ruim 600 keer feller dan de zonnigste plek op aarde. De hitte is er intens.

„De meeste meetinstrumenten aan boord zitten verstopt achter een hitteschild”, zegt Yeimy Rivera, astrofysicus aan het Amerikaanse Harvard-Smithsonian-instituut in de VS en lid van het wetenschappelijke team achter de Parker Solar Probe. Het witte hitteschild bestaat uit een 11 centimeter dikke laag carbon-composietmateriaal waarvan de temperatuur oploopt tot 1.400 graden Celsius.

De meetinstrumenten die daarachter verstopt zitten, worden op kamertemperatuur gehouden met een koelsysteem met daarin vijf liter water. Rivera: „Eén meetinstrument, een Faraday cup om zonnedeeltjes in te vangen, is niet verborgen achter het hitteschild, en kijkt recht in de zon.” De voorkant van dit onderdeel wordt zo’n 1.700 graden Celsius en is gemaakt van een titanum-zirconium-molybdeenlegering met een smeltpunt van 2.349 graden.

Het heeft het allemaal gehouden, meldde NASA begin januari: nadat Parker achter de zon vandaan was gekomen, gaf hij nog een radiosignaal. De meetgegevens volgen nog. „Parker is de enige missie waarmee we ter plekke metingen aan de zonnewind kunnen doen in het gebied waar die geboren wordt”, zegt Rivera.

Een belangrijk raadsel

Over die zonnewind, de gestage stroom zonnedeeltjes die de zon uitstoot, loste de sonde al een belangrijk wetenschappelijk raadsel op. Dat gebeurde in samenwerking met de Solar Orbiter, een ruimteschip van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA dat in 2020 gelanceerd werd. De Solar Orbiter bevindt zich nu in een baan die de zon op 43 miljoen kilometer nadert. Niet zo dicht op de zonnehuid dus als Parker, maar nog altijd binnen de baan van Mercurius.

Juist door die combinatie kon hetzelfde pakketje zonnewind twee keer onderzocht worden, met een paar dagen tussentijd, vertelt Rivera. De zonnefysicus Eugene Parker (1923-2022), naar wie de sonde is vernoemd, had al in de jaren zestig het bestaan van de zonnewind voorspeld. Het plasma dat de zon uitstoot zet uit, en koelt af terwijl het van de zon naar buiten waait, redeneerde Parker.

Rivera: „Maar zijn berekeningen bleken niet te kloppen. De zonnewind koelde veel minder snel af en waaide ook veel sneller dan hij voor mogelijk hield.” Op een of andere manier krijgen de deeltjes onderweg nog energie aangeleverd. Eén kandidaat-energieleverancier was een fenomeen dat in magnetische plasma’s optreedt: Alfvén-golven.

Terugverende magnetische veldlijnen

Deze golven, voorspeld en waargenomen door de Zweedse Nobelprijswinnaar Hannes Alfvén (1908-1995), ontstaan doordat magnetische veldlijnen terugveren als ze verbogen worden. Dat leidt tot rimpelingen die wat lijken op de golven in een losjes gespannen touw dat op en neer bewogen wordt. Alfvén-golven, die langs magnetische veldlijnen vanuit de zon naar buiten lopen, kunnen die energie overbrengen op zonnewinddeeltjes verderop. Maar is het genoeg om de zonnewindversnelling te verklaren?

In 2018, kort na zijn lancering, had de Parker Solar Probe al ontdekt dat Alfvén-golven dicht bij de zon soms in onverwacht heftige gebundelde slingeringen voorkomen, de zogenoemde switchbacks.

Op 24 februari 2022 mat Parker vlak bij de zon een pakketje zonneplasma, inclusief de voor die afstand typische switchbacks. Maar op 27 februari, tegen de tijd dat hetzelfde pakketje plasma bij de Solar Orbiter was, waren die uitgedoofd, zegt Rivera: „Je ziet nog steeds wel fluctuaties in de Alfvén-golven, maar minder sterk en minder gebundeld.”

Een boekhouding van alle invloeden op de zonnewind, dus ook de versnelling door zonnestraling en het afremmen door de zwaartekracht van de zon, liet zien dat het uitdoven van de Alfvén-golven heel goed klopte met de extra snelheid en hogere temperatuur van de zonnedeeltjes. Rivera: „Dit het was het definitieve bewijs dat Alfvén-golven de zonnewind versnellen.”

Het onderzoek van de zon is niet een puur wetenschappelijke kwestie. Er is ook een praktisch belang

Raadsel opgelost, maar het is het maar één van de wetenschappelijke vragen die nog altijd openstaan rond onze moederster, en die vaker wel dan niet te maken lijken te hebben met magnetisme.

De zon is een 1,39 miljoen kilometer brede, gloeiende bol van plasma, een gas van geladen deeltjes: vooral waterstof en een kwart helium. In het binnenste wordt het 15,7 miljoen graden Celsius, en daar vindt kernfusie plaats: waterstofkernen smelten samen tot helium en leveren zo de energie waarmee de ster zich heet stookt. De buitenkant die wij zien is nog altijd zo’n 5.500 graden Celsius, hoger dan het kookpunt van enig materiaal.

Maar wie denkt dat een gloeiende gasbol waarin iedere vaste structuur meteen zou smelten en verdampen eenvoudig is, heeft buiten magneetvelden gerekend. De hete deeltjes van het zonneplasma zitten gevangen op de magnetische veldlijnen, die binnen in de zon eindeloos vervormende kluwens tot stand brengen. Diep binnen in de zon worden de kluwens opgerekt doordat verschillende lagen van de zon met verschillende snelheden draaien. Minder diep onder het oppervlak worden ze gekneed door het turbulente kolken van het zonneplasma. Geladen deeltjes die langs de veldlijnen stromen wekken weer nieuwe magnetische velden op, en zo ontstaat een – maar heel matig begrepen – ‘zonnedynamo’ die magnetische velden in stand houdt.

Naar een hoogtepunt

Die dynamo drijft een 11-jarige activiteitscyclus aan, die op dit moment naar het hoogtepunt gaat. Tijdens zo’n zonnemaximum ontstaan er veel zonnevlekken, plaatsen waar de veldlijnen door het zichtbare zonneoppervlak heen prikken: het oppervlak is daar iets koeler en relatief donker.

De magneetvelden vormen gigantische lussen boven het oppervlak van de zon, volgeladen met zonneplasma. Soms scheuren die lussen af, en worden bellen heet zonneplasma het heelal ingeslingerd, zogeheten coronal mass ejections (CME’s).

Als die de aarde raken, kunnen ze leiden tot prachtige poollichten maar ook tot uitvallende satellieten, verstoorde navigatie voor vliegtuigen, stralingsgevaar voor astronauten en problemen met de elektriciteitsinfrastructuur. Het onderzoek van de zon is dan ook niet een puur wetenschappelijke kwestie: het begrijpen en voorspellen van de incidentele CME’s en de altijd waaiende zonnewind is van steeds groter praktisch belang.

Maar gemakkelijk is dat nog niet: naast het ontstaan en versnellen en verhitten van de zonnewind, de switchbacks, is ook de zonnedynamo zelf nog een onderwerp van intens onderzoek. „Ik ben blij dat ik geen theoretisch zonnefysicus ben die werkt aan modellen voor de zonnedynamo”, zegt Sami Solanki aan de telefoon, „dat lijkt me een heel zwaar leven omdat de mensen in dat veld het nooit met elkaar eens zijn.”

Solanki is directeur van het Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in het Duitse Göttingen en principal investigator voor één van de telescopen aan boord van Solar Orbiter: de Polarimetric and Helioseismic Imager (PHI), die het magneetveld op het zonneoppervlak in kaart kan brengen.

In tegenstelling tot de Parker Solar Probe kan de Solar Orbiter namelijk wél direct naar de zon kijken, legt Solanki uit. De Solar Orbiter komt niet zo dichtbij en het hitteschild wordt ‘maar’ 500 graden, zegt hij. „Er zitten gaten in, met telescopen erachter. Het was wel een enorme uitdaging om die te bouwen: er is bijvoorbeeld één telescoop met een spiegel die al het zonlicht doorlaat, behalve één heel specifieke golflengte waarin we geïnteresseerd zijn. De rest van het licht schijnt er dwars doorheen.” Solanki’s eigen PHI-telescoop heeft een filter van twee dikke stukken extreem reflecterend glas, dat ook nog gekoeld wordt. Solanki: „Het is een soort extreme zonnebril.”

Solanki is enthousiast over de Solar Orbiter-Parker-samenwerking, maar voor hem moet het beste nog komen: „De echt opwindende tijden beginnen volgend jaar.” Dan zal de Solar Orbiter de ecliptica verlaten, het baanvlak van de planeten en de aarde, en de zon vanaf de bovenkant bekijken, ofwel de noordpool van de zon.

Enigszins paradoxaal

Solanki: „Voor het begrijpen van de zonnedynamo is dat superbelangrijk. Als je de kracht van de volgende cyclus wilt voorspellen, kun je het best naar de magnetische velden kijken bij de polen van de zon: als die tijdens het zonneminimum zwak zijn, wordt het volgende zonnemaximum ook zwak, dat is statistisch aangetoond. Het lijkt erop dat juist die velden de kiem vormen voor het volgende maximum.”

Maar die velden aan de zonnepool kunnen we nu, vanwege de kijkhoek vanuit de aarde en de ecliptica, eigenlijk niet goed zien. Neerkijkend vanuit een hoek van maximaal 33 graden moet dat de Solar Orbiter een stuk beter lukken. Solanki: „Dan kunnen we veel meer details onderscheiden, ook omdat we veel dichterbij zitten.”

Zo lijkt de taakverdeling enigszins paradoxaal: de Solar Orbiter onderzoekt op grotere afstand het binnenste van de zon, terwijl de Parker Solar Probe, in de hitte zonder camera’s, vooral in de gaten houdt hoe deeltjes naar buiten waaien.

Deze puzzel vertaalt zich ook naar de astronomie en de zoektocht naar buitenaards leven, zegt Parker Probe-wetenschapper Rivera. Ook bij andere sterren dan onze zon zijn zonnevlekken, magnetische activiteitscycli en ‘sterrenwinden’ aangetoond, die belangrijk kunnen zijn voor de bewoonbaarheid van planeten rond die sterren.

De zonnewind heeft ooit de atmosfeer van Mars weggeblazen

Onze buurplaneet Mars, ooit nat en warmer dan nu, is zijn atmosfeer waarschijnlijk grotendeels kwijtgeraakt doordat de zonnewind deze weggeblazen heeft. Zonder atmosfeer geen vloeibaar water en geen isolerende deken. Voor leven – zoals wij het kennen – zijn de omstandigheden op Mars dan ook bepaald ongunstig.

De aarde wordt gelukkig beschermd tegen de zonnewind door het aardmagneetveld, dat stromen en uitbarstingen van geladen deeltjes netjes omleidt. Maar zelfs mét eigen magneetveld zijn planeten niet veilig voor de sterrenwind, stelt een publicatie uit 2017.

„Het wordt het laatste decennium steeds duidelijker dat het Alfvén-oppervlak de uiterste grens is van de zonneatmosfeer”, zegt Rivera. Het Alfvén-oppervlak is het punt waar de Alfvén-golven traag worden vergeleken met de zonnewind. Daarbinnen zijn de magnetische velden van de zon dominant, en is een directe connectie tussen ster en planeet via magnetische veldlijnen mogelijk.

Dat betekent dat de sterrenwinddeeltjes langs magnetische veldlijnen de atmosfeer van de planeet kunnen binnendringen, met vernietigend effect. Rond de dwergster Trappist-1 zijn zeven exoplaneten ontdekt, die zich wat temperatuur betreft in de leefbare zone bevonden. Maar vier daarvan bevinden zich onder het Alfvén-oppervlak. Die zijn hun eventuele atmosfeer dus niet zeker.

„De Parker Solar Probe is de eerste ruimtesonde die onder het Alfvén-oppervlak van de zon gedoken is, en daar metingen heeft gedaan”, zegt Rivera. „Dat gaat helpen om de eigenschappen en vorm van het Alfvén-oppervlak beter te begrijpen.” Eind februari lanceert NASA Punch, een constellatie van vier kleine satellieten die vanuit een baan om de aarde het Alfvén-oppervlak van de zon in kaart gaan brengen.

Zo leidt het begrijpen van de zon tot begrip van andere sterren, en via een conceptuele U-bocht ook weer tot het begrijpen van de omstandigheden die in ons zonnestelsel leven mogelijk hebben gemaakt, zegt Rivera: „De zon is een mooi en typisch voorbeeld van een zon-achtige ster. En ook de enige ster die we echt in detail kunnen onderzoeken.”

Delen





Mail de redactie