Om et par år skytes satellittene Multi-slit Solar Explorer og Solar-C ut i verdensrommet. De skal studere koronaen, området rundt solen, mer detaljert enn noensinne tidligere. Dermed vil de kunne avsløre detaljer om hva som driver soleksplosjoner og solstormer.
Det var i september 1859 at den engelske amatørastronomen Richard Carrington gjorde en revolusjonerende oppdagelse. Mens han studerte solflekker, det vil si små, mørke flekker på solen dominert av sterke magnetfelt, fikk han øye på et kraftig utbrudd. Dette skulle vise seg å bli den første observerte solstormen, forårsaket av en såkalt soleksplosjon. Som følge av solstormen var nordlys synlig over store deler av kloden. Noen telegrafer stod i brann, mens andre telegrafer skrev av seg selv. Hendelsen endret hele vår forståelse av Solen. Studier av slike eksplosjoner har siden vært en viktig del av forskningsområdene til solfysikere.
Koronaens gåte
Et annet fortsatt uløst mysterium er det såkalte koronaoppvarmingsproblemet. Det ytterste laget i solatmosfæren, kjent som koronaen, holder en temperatur på over en million grader. Det er 200 ganger så varmt som den underliggende soloverflaten.
Dette ble bekreftet på begynnelsen av 1940-tallet. Studier av lysspektre fra koronaen, målt under solformørkelser siden 1800-tallet, avslørte at koronaen inneholdt høyionisert jern. Høyionisert jern er jernpartikler som har avgitt minst ni elektroner eller flere. Dette er mulig kun ved temperaturer rundt en million grader eller høyere.
I dag mener en stor del av verdens solforskere at både soleksplosjoner og koronaoppvarming forårsakes av den samme fysiske prosessen: omkobling av magnetiske felter. Det er en prosess der magnetfelter av ulik polaritet dyttes mot hverandre langs et såkalt strømsjikte. Langs dette strømsjiktet gjøres magnetisk energi om til varme og bevegelsesenergi.
Denne prosessen er en viktig del av mange ulike mekanismer, alt fra fusjonsreaktorer til kjernen i aktive galakser. Gjennom de siste tiårene har solforskere utført en rekke datasimuleringer av solatmosfæren. De har vist at magnetfeltomkobling er i stand til å gjenskape soleksplosjoner og andre lignende lysfenomener observert på Solen.
Snøsensor begeistrer: – Vi reagerte som overkåte høner
En utfordring for de som simulerer og observerer Solen er at inni strømsjiktene hvor magnetfeltomkobling foregår dannes det ofte små finstrukturer. De er vanskelige å få øye på med dagens teleskoper. Det gjør at vi ikke har en fullgod forståelse av hvordan denne prosessen bidrar til å varme opp solens ytterste lag eller danner soleksplosjoner. Dette vil endre seg når satellittene Multi-slit Solar Explorer (MUSE) og Solar-C skytes opp om 2–3 år.
Studier av magnetiske finstrukturer kan gi svaret
Magnetiske omkobling kan i prinsippet foregå på to ulike måter. Ved stødig omkobling holder strømsjiktet seg stabilt mens motsatt orienterte magnetfelter stadig vekk dyttes mot hverandre. Ved ikke-stødig omkobling brytes strømsjiktet opp gjentatte ganger i løpet av omkoblingsprosessen.
I sistnevnte tilfelle dannes det små magnetiske finstrukturer, omtalt som «plasmids» eller «magnetic islands», langs strømsjiktet. Dette kan beskrives som bobler av oppvarmet plasma omsluttet av lukkede, eller spiralformede, magnetfelter.
Datasimuleringer av Solen viser at slike plasmabobler har en vesentlig effekt på mengden av magnetisk energi som omdannes til varme under magnetisk omkobling. Derfor ønsker forskere å utføre observasjoner av solatmosfæren for å måle hyppigheten av slike finstrukturer, samt deres typiske størrelser og temperaturer. Dette kan ha ha mye å si på hvordan magnetisk omkobling bidrar til å opprettholde den ekstremt høye temperaturen i Solens ytre atmosfære. Tilsvarende vil denne kunnskapen også bidra til en mer fullgod forståelse av hvordan den samme fysiske prosessen driver soleksplosjoner. Jo mer presist vi forstår dynamikken bak soleksplosjoner, desto mer presist kan vi forutsi når slike eksplosjoner kan oppstå.
Dagens observasjoner har svært begrenset data om disse
Både bakkebaserte teleskoper og romsonder har klart å observere ovennevnte plasmabobler i samtlige fenomener på Solen forårsaket av magnetfeltomkobling. Dette inkluderer alt fra relativt små, kortlevde ultrafiolette lysglimt til kraftige soleksplosjoner. I disse tilfellene er det snakk om plasmabobler av materie fra nedre del av solatmosfæren. Disse har relativt høy massetetthet og lang nok levetid til å oppnå størrelser på flere tusen kilometer.
Når vi observerer koronaen, brukes satellitter som er spesialisert til å studere høyenergetisk UV-stråling kjent som EUV-stråling, «extreme ultraviolet». Et eksempel på en dette er satellitten Solar Dynamics Observatory (SDO) som har tatt bilder av koronaen over hele solskiven jevnt og trutt siden 2010. Dette instrumentet er blant annet velegnet til å kartlegge koronalyspunkter. Slike lyspunkter sammenfaller med kuppelformede magnetfelter, som vist i figuren under. I slike strukturer oppstår strømsjikter hvor magnetisk omkobling forekommer. Disse strømsjiktene kan være dominert av plasmabobler som ikke er massive nok til oppnå størrelser på mer enn noen få hundre kilometer før de forsvinner. De vil dermed være ekstremt vanskelige å få øye på med dagens instrumenter, men kan ha en avgjørende effekt på hvor stor mengde varme som frigjøres under omkobling av magnetfelter.
Satellittene MUSE og Solar-C vil endre på dette
I en vitenskapelig artikkel fra 2024 studerte vi simuleringer av plasmabobler dannet langs strømsjikter i kuppelformede magnetfelter i koronaen. Vi drøftet muligheten for å observere disse med dagens og morgendagens satellitter. Resultater fra denne artikkelen er vist i nederste del av figuren.
Vi fant blant annet at den hyppig brukte SDO-satellitten ikke har høy nok oppløsning til å kunne fange opp disse plasmaboblene. Dette betyr at samtlige strømsjikter i koronaen kan skjule en kaskade av slike finstrukturer som er for små til å ses med samtlige av dagens teleskoper men som altså har en avgjørende betydning på mengden av magnetisk energi som omdannes til varme. Ett unntak er satellitten Solar Orbiter, skutt opp i 2020, som til tider befinner seg innenfor Merkur sin bane og kan potensielt fange opp enkelte slike finstrukturer når den kommer nært nok innpå Solen.
Innsikt i hvordan verden egentlig fungerer gir oss søvnløse netter
Det som virkelig vil skyte fart på denne forskningen er den amerikanske satellitten Multi-slit Solar Explorer (MUSE), som skytes ut i 2027, og den japanske satellitten Solar-C, som skytes ut året etter. Disse vil være i stand til å utføre spektroskopi av koronaen med banebrytende høy oppløsning og bildefrekvens. Våre studier viser at begge satellittene vil ha høy nok oppløsning til å kunne utføre detaljerte studier av plasma-bobler på størrelser ned til noen få hundre kilometer (se nederst til høyre på figuren) og blant annet estimere deres temperatur, tetthet og hastighet.
Vår forskning har dermed vist at fremtidige observasjoner med MUSE og Solar-C i samarbeid med Solar Orbiter vil være et kraftig verktøy til å kartlegge dannelse av magnetiske finstrukturer langs strømsjikter i koronaen. Jo mer detaljert observasjonell data vi har av slike mikrostrukturer, desto bedre grunnlag har vi for simulere Solens atmosfære mer presist. Til syvende og sist bidrar dette til at vi mer nøyaktig kan forutsi soleksplosjoner og i tillegg forstå bedre mekanismene som opprettholder koronaens ekstremt høye temperaturer.
Samlet sett vil utskytingen av MUSE og Solar-C markere et betydelig fremskritt i vår forståelse av Solens dynamiske prosesser. Ved å utføre detaljerte studier av magnetiske mikrostrukturer i koronaen vil satellittene ikke bare hjelpe oss med å kartlegge og forutsi soleksplosjoner mer nøyaktig, men også gi oss dypere innsikt i de komplekse mekanismene som opprettholder koronaens ekstremt høye temperaturer. Dette baner vei for mer presise simuleringer av solatmosfæren og styrker vår vitenskapelige forståelse av vår livgivende stjerne.
Artikkelen er skrevet av Øystein Håvard Færder, stipendiat ved RoCS – Rosseland senter for solfysikk, Institutt for teoretisk astrofysikk, UiO.
Den ble først publisert på Titan.uio.no.
Romsonde i sikkerhet etter rekordnær passering av solen
