Inget vet varför solens atmosfär är så het.

 

Solens atmosfär kallas korona. Den består av elektriskt laddad gas som kallas plasma och har en temperatur på cirka en miljon grader Celsius.

Denna temperatur är ett mysterium eftersom solens yta bara är cirka 6000 grader celcius. Koronan borde enligt fysikens lagar vara svalare än ytan eftersom solens energi kommer från dess kärna och saker blir svalare ju längre bort de är från en värmekälla. Likväl är koronan mer än 150 gånger hetare än ytan.

Det misstänks att förklaringen är turbulens i solatmosfären som kan leda till betydande uppvärmning av plasman i koronan. Men när det gäller att undersöka detta fenomen stöter solfysiker på ett praktiskt problem: det är omöjliga i att samla all data de behöver för att få svar med bara en enda rymdfarkost.

Det finns två sätt att undersöka solen: fjärranalys och in situ-mätningar. Vid fjärranalys är rymdfarkosten placerad på ett visst avstånd från solen och använder kameror för att se på solen och dess atmosfär i olika våglängder. Vid in-situ-mätningar flyger rymdfarkosten genom den region den vill undersöka och gör mätningar av partiklarna och magnetfälten i den delen.

Båda tillvägagångssätten har sina fördelar. Fjärranalys visar de storskaliga resultaten men inte detaljerna i de processer som sker i plasmat. Samtidigt ger in-situ-mätningar mycket specifik information om de småskaliga processer i plasman men visar inte hur detta påverkar i den stora skalan.

För att få hela bilden behövs två rymdfarkoster. Detta är precis vad solfysiker för närvarande har i form av ESA-ledda rymdfarkosten Solar Orbiter och NASA: s Parker Solar Probe. Solar Orbiter är utformad för att komma så nära solen som möjligt och fortfarande utföra fjärranalysoperationer, tillsammans med mätningar på plats. Parker Solar Probeavstår till stor del från fjärranalys av solen själv för att istället färdas ännu närmare för sina mätningar på plats. 

Men för att dra full nytta av farkosternas kompletterande tillvägagångssätt Parker Solar Probe vara inom synfältet för ett av Solar Orbiters instrument. På så sätt kan Solar Orbiter registrera de storskaliga konsekvenserna av vad Parker Solar Probe mätte in-situ (in-situ begreppet betyder på plats).

Daniele Telloni, forskare vid det italienska nationella institutet för astrofysik (INAF) vid astrofysiska observatoriet i Turin, är en i teamet bakom Solar Orbiters Metis-instrument. Metis är en koronagraf som blockerar ljuset från solens yta och tar bilder av koronan. Det är det perfekta instrumentet att använda för storskaliga mätningar och med detta instrument började Daniele leta efter tillfällen då Parker Solar Probe kunde vara med i undersökningen.

Den 1 juni 2022 var tillfället då de två rymdfarkosterna vara i nästan rätt omloppskonfiguration med varandra. I huvudsak skulle Solar Orbiter se på solen och Parker Solar Probe vara precis vid sidan om, nära, men precis utanför synfältet för Metis-instrumentet.

När Daniele såg problemet insåg han att allt som skulle krävas för att få Parker Solar Probe i sikte var lite korrigering av Solar Orbiters riktning: en 45 graders förändring och rikta farkosten något bort från solen.

Men när varje manöver av ett rymduppdrag är noggrant planerad i förväg, och rymdfarkoster själva är utformade för att peka endast i mycket specifika riktningar, särskilt när man hanterar solens enorma värme var det inte klart att rymdfarkostens operationsgrupp skulle godkänna en sådan avvikelse med tanke på solens hetta och farkostens skydd. Men när alla var klara över den potentiella vetenskapliga avkastningen blev beslutet ett tydligt "ja"."Möjligheten att använda både Solar Orbiter och Parker Solar Probe har verkligen öppnat en helt ny dimension i denna forskning", beskriver Gary Zank, vid  University of Alabama i Huntsville, USA och medförfattare till detstudien.

Genom att jämföra den nyligen uppmätta hastigheten med de teoretiska förutsägelser som har gjorts av solfysiker genom åren har Daniele nu visat att solfysiker nästan säkert hade rätt i sin förklaring av turbulens som ett sätt att överföra energi.

Det specifika sätt som turbulens gör detta är inte olikt vad som händer när man rör ut socker i en kopp kaffe. Genom att stimulera slumpmässiga rörelser av en vätska, antingen en gas eller en vätska överförs energi till allt mindre skalor vilket kulminerar i omvandlingen av energi till värme. När det gäller solkoronan magnetiseras också vätskan och då lagras magnetisk energi tillgängligt för att omvandlas till värme.

En sådan överföring av magnetisk och rörelseenergi från större till mindre skalor är själva kärnan i turbulens. Vid de minsta skalorna tillåter dessa fluktuationer att interagera med enskilda partiklar, mestadels protoner och värma upp dessa.

Mer arbete behövs dock innan man kan säga att solvärmeproblemet är löst men nu, tack vare Danieles arbete, har solfysiker sin första mätning av denna process.

Arbetet representerar ett viktigt steg framåt för att lösa koronans uppvärmningsproblem, skriver projektforskare Daniel Müller.

Bild vikipedia från solens yta registrerad av Hinode's Solar Optical Telescope den 12 januari 2007. Bilden visar plasmats trådliknande former som förbinder olika områden med olik magnetisk polaritet. Det japanska Hinodes-teleskopet kan påvisa dessa mycket dramatiska bilder av kromosfären, det tunna skikt av solatmosfären som finns mellan solens synliga yta, fotosfären och koronan.