În august 2018, sonda solară Parker a NASA a lansat în spațiu, devenind în curând cea mai apropiată navă spațială vreodată de Soare. Cu instrumente științifice de ultimă generație pentru a măsura mediul din jurul navei spațiale, Parker Solar Probe a finalizat trei din cele 24 de treceri planificate prin părți ale atmosferei Soarelui, corona, care nu au fost niciodată explorate. Pe dec. 4, 2019, patru noi lucrări din revista Nature descriu ce au învățat oamenii de știință din această explorare fără precedent a stelei noastre - și ce așteaptă cu nerăbdare să învețe în continuare.

sonda

Aceste descoperiri dezvăluie noi informații despre comportamentul materialului și particulelor care se îndepărtează de Soare, aducând oamenii de știință mai aproape de a răspunde la întrebări fundamentale despre fizica stelei noastre. În încercarea de a proteja astronauții și tehnologia în spațiu, informațiile pe care Parker le-a descoperit despre modul în care Soarele aruncă în mod constant material și energie îi va ajuta pe oamenii de știință să scrie din nou modelele pe care le folosim pentru a înțelege și a prezice vremea spațială din jurul planetei noastre și a înțelege procesul prin care stele sunt create și evoluează.

„Aceste prime date de la Parker dezvăluie steaua noastră, Soarele, în moduri noi și surprinzătoare”, a declarat Thomas Zurbuchen, administrator asociat pentru știință la sediul NASA din Washington. „Observarea Soarelui de aproape mai degrabă decât de la o distanță mult mai mare ne oferă o viziune fără precedent asupra fenomenelor solare importante și asupra modului în care acestea ne afectează pe Pământ și ne oferă noi perspective relevante pentru înțelegerea stelelor active din galaxii. Este doar începutul a unui moment incredibil de incitant pentru heliofizică cu Parker în avangarda noilor descoperiri. "

Deși ne poate părea plăcut aici pe Pământ, Soarele este orice altceva decât liniștit. Steaua noastră este activă magnetic, dezlănțuind explozii puternice de lumină, deluvii de particule care se deplasează în apropierea vitezei luminii și nori de miliarde de tone de material magnetizat. Toată această activitate afectează planeta noastră, injectând particule dăunătoare în spațiul în care zboară sateliții și astronauții noștri, perturbând semnalele de comunicații și de navigație și chiar - atunci când sunt intense - declanșând întreruperi de curent. Se întâmplă de-a lungul întregii vieți a Soarelui de 5 miliarde de ani și va continua să modeleze destinațiile Pământului și ale celorlalte planete din sistemul nostru solar în viitor.

„Soarele a fascinat omenirea pentru întreaga noastră existență”, a spus Nour E. Raouafi, un om de știință pentru proiectul Parker Solar Probe de la Laboratorul de Fizică Aplicată Johns Hopkins din Laurel, Maryland, care a construit și gestionează misiunea pentru NASA. „Am învățat multe despre steaua noastră în ultimele decenii, dar chiar am avut nevoie de o misiune precum Parker Solar Probe pentru a intra în atmosfera Soarelui. Doar acolo putem învăța cu adevărat detaliile acestor procese solare complexe. Și ceea ce am învățat doar în aceste trei orbite solare a schimbat mult din ceea ce știm despre Soare ".

Ceea ce se întâmplă pe Soare este esențial pentru a înțelege modul în care modelează spațiul din jurul nostru. Majoritatea materialului care scapă de Soare face parte din vântul solar, un flux continuu de material solar care scaldă întregul sistem solar. Acest gaz ionizat, numit plasmă, transportă cu sine câmpul magnetic al Soarelui, întinzându-l prin sistemul solar într-o bulă uriașă care se întinde pe mai mult de 10 miliarde de mile.

Vântul solar dinamic

Observat în apropierea Pământului, vântul solar este un flux relativ uniform de plasmă, cu prăbușiri ocazionale turbulente. Dar până în acel moment a parcurs peste 90 de milioane de mile - și semnăturile mecanismelor exacte ale Soarelui pentru încălzirea și accelerarea vântului solar sunt șterse. Mai aproape de sursa vântului solar, Parker Solar Probe a văzut o imagine diferită: un sistem activ complicat.

„Complexitatea a fost uluitoare când am început să analizăm datele”, a spus Stuart Bale, de la Universitatea din California, Berkeley, conducătorul pachetului de instrumente FIELDS al Parker Solar Probe, care studiază scara și forma câmpurilor electrice și magnetice. "Acum, m-am obișnuit. Dar când le arăt colegilor pentru prima dată, sunt pur și simplu uluiți". Din punctul de vedere al lui Parker, la 15 milioane de mile de Soare, a explicat Bale, vântul solar este mult mai impulsiv și mai instabil decât ceea ce vedem lângă Pământ.

La fel ca Soarele însuși, vântul solar este format din plasmă, unde electronii încărcați negativ s-au separat de ioni încărcați pozitiv, creând o mare de particule plutitoare libere cu încărcare electrică individuală. Aceste particule care plutesc liber înseamnă că plasma transportă câmpuri electrice și magnetice, iar modificările plasmei fac deseori semne pe acele câmpuri. Instrumentele FIELDS au analizat starea vântului solar prin măsurarea și analizarea atentă a modului în care s-au schimbat câmpurile electrice și magnetice din jurul navei în timp, împreună cu măsurarea undelor în plasma din apropiere.

Aceste măsurători au arătat inversări rapide în câmpul magnetic și jeturi de material bruște, care se mișcă mai repede - toate caracteristicile care fac vântul solar mai turbulent. Aceste detalii sunt esențiale pentru a înțelege modul în care vântul dispersează energia pe măsură ce curge departe de Soare și de-a lungul sistemului solar.

Un tip de eveniment, în special, a atras atenția echipelor științifice: rotește în direcția câmpului magnetic, care curge din Soare, încorporat în vântul solar. Aceste inversări - denumite „switchbacks” - durează de la câteva secunde la câteva minute pe măsură ce curg peste sonda solară Parker. În timpul unei comutări, câmpul magnetic se întoarce asupra sa până când este îndreptat aproape direct spre Soare. Împreună, FIELDS și SWEAP, suita de instrumente de suflat solare condusă de Universitatea din Michigan și administrată de Smithsonian Astrophysical Observatory, au măsurat grupuri de switchback-uri în primele două flybys ale Parker Solar Probe.

„Valurile au fost văzute în vântul solar de la începutul erei spațiale și am presupus că mai aproape de Soare valurile vor deveni mai puternice, dar nu ne așteptam să le vedem organizându-se în aceste vârfuri de viteză structurate coerente”, a spus Justin. Kasper, investigator principal pentru SWEAP - prescurtare pentru Solar Wind Electrons Alphas and Protons - la Universitatea Michigan din Ann Arbor. "Detectăm resturi de structuri de la Soare care sunt aruncate în spațiu și schimbând violent organizarea fluxurilor și a câmpului magnetic. Acest lucru ne va schimba dramatic teoriile pentru modul în care corona și vântul solar sunt încălzite".

Sursa exactă a inversărilor nu este încă înțeleasă, dar măsurătorile Parker Solar Probe au permis oamenilor de știință să restrângă posibilitățile.

Printre numeroasele particule care curg permanent de la Soare se numără un fascicul constant de electroni care se mișcă rapid, care circulă de-a lungul liniilor câmpului magnetic al Soarelui către sistemul solar. Acești electroni curg întotdeauna strict de-a lungul formei liniilor de câmp care se deplasează de la Soare, indiferent dacă polul nord al câmpului magnetic din acea regiune specială este îndreptat spre sau departe de Soare. Dar sonda solară Parker a măsurat acest flux de electroni care merg în direcția opusă, întorcându-se înapoi spre Soare - arătând că câmpul magnetic în sine trebuie să se îndoaie înapoi spre Soare, mai degrabă decât sonda solară Parker întâlnind doar o linie de câmp magnetic diferită de Soare. care indică în direcția opusă. Acest lucru sugerează că schimbările înapoi sunt îndoituri în câmpul magnetic - perturbări localizate care călătoresc departe de Soare, mai degrabă decât o schimbare a câmpului magnetic pe măsură ce acesta iese din Soare.

Observațiile Parker Solar Probe ale inversărilor sugerează că aceste evenimente vor crește și mai frecvent pe măsură ce nava spațială se apropie de Soare. Următoarea întâlnire solară a misiunii în ianuarie. 29, 2020, va transporta nava spațială mai aproape de Soare decât oricând și poate arunca o nouă lumină asupra acestui proces. Nu numai că astfel de informații ne ajută să ne schimbe înțelegerea a ceea ce cauzează vântul solar și vremea spațială din jurul nostru, ci ne ajută și să înțelegem un proces fundamental al modului în care funcționează stelele și cum eliberează energie în mediul lor.

Vântul solar rotativ

Unele dintre măsurătorile Parker Solar Probe aduc oamenii de știință mai aproape de răspunsurile la întrebări vechi de decenii. O astfel de întrebare este despre cum, exact, vântul solar curge din Soare.

În apropierea Pământului, vedem vântul solar curgând aproape radial - adică curge direct din Soare, direct în toate direcțiile. Dar Soarele se rotește când eliberează vântul solar; înainte de a se elibera, vântul solar se învârtea odată cu el. Este un pic ca copiii care călăresc pe un carusel de parc de joacă - atmosfera se rotește cu Soarele la fel ca și partea exterioară a caruselului, dar cu cât te îndepărtezi de centru, cu atât te miști mai repede în spațiu. Un copil de pe margine ar putea sări și ar putea, în acel moment, să se deplaseze în linie dreaptă spre exterior, mai degrabă decât să continue rotirea. Într-un mod similar, există un punct între Soare și Pământ, vântul solar trece de la rotirea împreună cu Soarele la curgerea directă spre exterior sau radial, așa cum vedem de pe Pământ.

Exact acolo unde vântul solar trece de la un flux de rotație la un flux perfect radial are implicații asupra modului în care Soarele varsă energie. Găsirea acestui punct ne poate ajuta să înțelegem mai bine ciclul de viață al altor stele sau formarea discurilor protoplanetare, a discurilor dense de gaz și praf din jurul stelelor tinere, care în cele din urmă se unesc în planete.

Acum, pentru prima dată - mai degrabă decât să vedem fluxul drept pe care îl vedem lângă Pământ - Parker Solar Probe a fost capabil să observe vântul solar în timp ce acesta încă se rotea. Este ca și cum Parker Solar Probe ar avea o vedere directă a caruselului care se învârte direct pentru prima dată, nu doar copiii sărind de pe el. Instrumentul de vânt solar Parker Solar Probe a detectat rotația pornind de la mai mult de 20 de milioane de mile de Soare și, pe măsură ce Parker se apropia de punctul său de periheliu, viteza de rotație a crescut. Puterea circulației a fost mai puternică decât preziseră mulți oameni de știință, dar, de asemenea, a trecut mai repede decât s-a prezis la un flux exterior, care este ceea ce ajută să mascăm aceste efecte de unde ne așezăm de obicei, la aproximativ 93 de milioane de mile de Soare.

"Fluxul mare de rotație al vântului solar observat în timpul primelor întâlniri a fost o adevărată surpriză", a spus Kasper. "În timp ce am sperat să vedem în cele din urmă mișcarea de rotație mai aproape de Soare, viteza mare pe care o vedem în aceste prime întâlniri este de aproape zece ori mai mare decât cea prevăzută de modelele standard."

Praful lângă Soare.

O altă întrebare care abordează un răspuns este zona evazivă fără praf. Sistemul nostru solar este inundat de praf - firimiturile cosmice de coliziuni care au format planete, asteroizi, comete și alte corpuri cerești în urmă cu miliarde de ani. Oamenii de știință au suspectat mult timp că, aproape de Soare, acest praf ar fi încălzit la temperaturi ridicate de lumina puternică a soarelui, transformându-l într-un gaz și creând o regiune fără praf în jurul Soarelui. Dar nimeni nu o observase vreodată.

Pentru prima dată, imaginii Parker Solar Probe au văzut că praful cosmic începe să se subțire. Deoarece WISPR - instrumentul de imagine Parker Solar Probe, condus de Laboratorul de Cercetare Navală - are vedere spre partea laterală a navei spațiale, poate vedea frâne largi ale coroanei și ale vântului solar, inclusiv regiuni mai apropiate de Soare. Aceste imagini arată praful care începe să se subțire puțin peste 7 milioane de mile de Soare, iar această scădere a prafului continuă constant până la limitele actuale ale măsurătorilor WISPR la puțin peste 4 milioane de mile de Soare.

"Această zonă fără praf a fost prezisă cu zeci de ani în urmă, dar nu a mai fost văzută până acum", a spus Russ Howard, investigator principal pentru suita WISPR - prescurtare pentru Wide-field Imager for Solar Probe - la Laboratorul de Cercetări Navale din Washington, DC „Acum vedem ce se întâmplă cu praful de lângă Soare”.

În ritmul subțierii, oamenii de știință se așteaptă să vadă o zonă cu adevărat lipsită de praf care începe cu puțin mai mult de 2-3 milioane de mile de la Soare, ceea ce înseamnă că Parker Solar Probe ar putea observa zona fără praf încă din 2020, când al șaselea zbor a Soarelui o va purta mai aproape de steaua noastră ca niciodată.

Punerea vremii spațiale la microscop

Măsurătorile Parker Solar Probe ne-au oferit o nouă perspectivă asupra a două tipuri de evenimente meteorologice spațiale: furtuni de particule energetice și ejecții de masă coronală.

Particulele mici - atât electroni, cât și ioni - sunt accelerate de activitatea solară, creând furtuni de particule energetice. Evenimentele de pe Soare pot trimite aceste particule rachetând în sistemul solar cu aproape viteza luminii, ceea ce înseamnă că ajung pe Pământ în mai puțin de o jumătate de oră și pot avea impact asupra altor lumi pe scări de timp la fel de scurte. Aceste particule transportă multă energie, astfel încât pot deteriora electronica navelor spațiale și chiar pune în pericol astronauții, în special cei aflați în spațiul adânc, în afara protecției câmpului magnetic al Pământului - iar timpul scurt de avertizare pentru astfel de particule le face dificil de evitat.

Înțelegerea exactă a modului în care aceste particule sunt accelerate la viteze atât de mari este crucială. Dar, chiar dacă ajung la Pământ în doar câteva minute, este încă suficient timp pentru ca particulele să piardă semnăturile proceselor care le-au accelerat în primul rând. Bătând în jurul Soarelui la doar câteva milioane de mile distanță, Parker Solar Probe poate măsura aceste particule imediat după ce au părăsit Soarele, aruncând o nouă lumină asupra modului în care sunt eliberate.

Deja, instrumentele IS? IS ale Parker Solar Probe, conduse de Universitatea Princeton, au măsurat mai multe evenimente de particule energetice nemaivăzute până acum - evenimente atât de mici încât toate urmele lor sunt pierdute înainte de a ajunge pe Pământ sau în oricare dintre sateliții noștri din apropierea Pământului. Aceste instrumente au măsurat, de asemenea, un tip rar de explozie de particule cu un număr deosebit de mare de elemente mai grele - sugerând că ambele tipuri de evenimente pot fi mai frecvente decât credeau oamenii de știință anterior.

"Este uimitor - chiar și în condiții minime solare, Soarele produce multe mai mici evenimente de particule energetice decât am crezut vreodată", a spus David McComas, investigator principal pentru investigarea științei integrate a suitei Sun, sau IS? IS, de la Universitatea Princeton din New Jersey. „Aceste măsurători ne vor ajuta să descoperim sursele, accelerația și transportul particulelor energetice solare și, în cele din urmă, să protejăm mai bine sateliții și astronauții în viitor”.

Datele de la instrumentele WISPR au furnizat, de asemenea, detalii fără precedent asupra structurilor din coroană și vântului solar - inclusiv ejecții de masă coronală, nori de miliarde de tone de material solar pe care Soarele le trimite în sistemul solar. CME-urile pot declanșa o serie de efecte asupra Pământului și a altor lumi, de la aurore scânteietoare la inducerea curenților electrici care pot deteriora rețelele electrice și conductele. Perspectiva unică a WISPR, privind alături de astfel de evenimente în timp ce călătoresc departe de Soare, a arătat deja o nouă lumină asupra gamei de evenimente pe care vedeta noastră le poate dezlănțui.

"Din moment ce sonda solară Parker se potrivea cu rotația Soarelui, am putut urmări scurgerea de material timp de zile și a vedea evoluția structurilor", a spus Howard. "Observațiile din apropierea Pământului ne-au făcut să credem că structurile fine din coroană intră într-un flux lin, și aflăm că nu este adevărat. Acest lucru ne va ajuta să realizăm o modelare mai bună a modului în care evenimentele se deplasează între Soare și Pământ".

Pe măsură ce Parker Solar Probe își continuă călătoria, va face 21 de apropieri mai apropiate de Soare la distanțe progresiv mai apropiate, culminând cu trei orbite, la doar 3,83 milioane de mile de la suprafața solară.

„Soarele este singura stea pe care o putem examina îndeaproape”, a spus Nicola Fox, directorul Diviziei de Heliofizică de la sediul NASA. "Obținerea datelor la sursă revoluționează deja înțelegerea noastră despre propria stea și stele din univers. Micul nostru spațial soldează prin condiții brutale pentru a trimite acasă revelații uimitoare și incitante."

Datele primelor două întâlniri solare Parker Solar Probe sunt disponibile publicului online:

Parker Solar Probe face parte din programul NASA Living with a Star pentru a explora aspecte ale sistemului Soare-Pământ care afectează direct viața și societatea. Programul Living with a Star este gestionat de Centrul de zbor spațial Goddard al agenției din Greenbelt, Maryland, pentru Direcția Misiunii Științifice a NASA din Washington. Johns Hopkins APL a proiectat, construit și operează nava spațială.