Nieuwe expedities naar de zon: een brandend mysterie

De historische lancering van de European Solar Orbiter maakt deel uit van een nieuw streven om meer inzicht in onze dichtstbijzijnde ster te krijgen.

Tuesday, February 11, 2020,
Door Nadia Drake
In deze illustratie is te zien hoe de European Solar Orbiter van de ESA de zon ...
In deze illustratie is te zien hoe de European Solar Orbiter van de ESA de zon bestudeert terwijl hij het dichtstbijzijnde punt van zijn omloopbaan rond de ster heeft bereikt.
Foto van Illustratie: ESA/ATG medialab

Afgelopen zondagavond raasde een Atlas V-raket door de hemel boven Florida, met aan boord een ruimtesonde die aan een ongekende expeditie naar de zon zal beginnen.

Hoewel onze thuisster elk dag aan de hemel straalt, heeft de mens de zon nooit anders kunnen bekijken dan vanuit één perspectief: van voren en vanuit het schijfvlak van ons eigen zonnestelsel. Maar de Solar Orbiter (‘SolO’) van de ESA (European Space Agency) zal daar verandering in brengen, want deze sonde is ontworpen om de zon in detail te verkennen en daarbij voor het eerst ook de nog nooit geobserveerde poolregio’s van de ster te bestuderen.

Vanuit dit unieke perspectief zal een reeks van tien instrumenten aan boord van SolO onthullen hoe de ster zijn zonnewind – een onophoudelijke stroom van geladen deeltjes – door ons zonnestelsel blaast. De instrumenten zullen ook meer inzicht bieden in de dynamiek van de elfjarige magnetische cyclus van de zon, die in intensiteit varieert en onvoorziene fluctuaties in de activiteit van de zon veroorzaakt. “Op fundamenteel niveau begrijpen we dat nog steeds niet goed,” zegt Daniel Müller van de ESA, een van de wetenschappers van het SolO-project. “Hopelijk kunnen we dat hiaat in onze kennis met behulp van de Solar Orbiter opvullen.”

Het vinden van antwoorden op de vraag welke mechanismen aan het werk zijn, is niet alleen een academische kwestie maar zou ook de veiligheid op aarde kunnen vergroten. Veranderingen in de magnetische activiteit van de zon spelen een belangrijke rol in krachtige uitbarstingen van geladen deeltjes die hier op aarde stroomnetten kunnen uitschakelen, satellieten kunnen vernielen en zelfs ruimtevaarders kunnen doden. Momenteel zijn we niet erg goed in het voorspellen van het tijdstip waarop en de kracht waarmee deze uitbarstingen de aarde zullen treffen. “Een beter begrip van deze fundamentele processen, de fysieke processen die zich in de binnenste regio van de zonne-atmosfeer afspelen, zal ons echt helpen,” zegt Holly Gilbert, plaatsvervangend hoofdwetenschapper bij de NASA voor het SolO-project.

Zon 101
De zon zorgt ervoor dat de planeten in hun baan blijven. Wat zou er gebeuren als de zon volledig verdween? Ontdek meer over het middelpunt van ons zonnestelsel en waarom het zo cruciaal is voor het leven zoals wij dat kennen.

Het vinden van antwoorden op de vraag welke mechanismen aan het werk zijn, is niet alleen een academische kwestie maar zou ook de veiligheid op aarde kunnen vergroten. Veranderingen in de magnetische activiteit van de zon spelen een belangrijke rol in krachtige uitbarstingen van geladen deeltjes die hier op aarde stroomnetten kunnen uitschakelen, satellieten kunnen vernielen en zelfs ruimtevaarders kunnen doden. Momenteel zijn we niet erg goed in het voorspellen van het tijdstip waarop en de kracht waarmee deze uitbarstingen de aarde zullen treffen. “Een beter begrip van deze fundamentele processen, de fysieke processen die zich in de binnenste regio van de zonne-atmosfeer afspelen, zal ons echt helpen,” zegt Holly Gilbert, plaatsvervangend hoofdwetenschapper bij de NASA voor het SolO-project.

De lancering van SolO valt in een bijzonder spannende maand voor het onderzoek naar de zon en is slechts één van meerdere nieuwe projecten die zich richten op een grondiger bestudering van onze thuisster. “Het is nu een heel goede tijd om zonnefysicus te zijn,”zegt Nicola Fox, directeur van de afdeling zonnefysica van de NASA. “Deze gecoördineerde onderzoeksinspanning zal enorm veel nieuwe wetenschap opleveren.”

Gouden tijd voor zonne-onderzoek

Het zal je misschien niet zijn ontgaan dat de zon helemaal ‘in’ is.

Vorige week onthulden wetenschappers van de grondtelescoop DKIST (Daniel K. Inouye Solar Telescope) een fascinerende close-up van het oppervlak van de zon. In geanimeerde vorm onthullen deze beelden dat de buitenschil van de zon bestaat uit een netwerk van traag opborrelende reuzencellen van plasma, die elk zo groot zijn als Frankrijk.

Deze onlangs gepubliceerde opname van de Daniel K. Inouye Solar Telescope toont het oppervlak van de zon in de hoogste resolutie tot nu toe. Te zien zijn reusachtige plasmacellen die ontstaan door gewelddadige convectie vanuit het binnenste van de zon.
Foto van Beeld: NSO/NSF/AURA

In december onthulde de Parker Solar Probe van de NASA zijn eerste beelden, die in een zeer nauwe baan rond de zon zijn opgenomen. Vorige week werden in een speciaal nummer van The Astrophysical Journal nog eens vier nieuwe studies over deze missie gepresenteerd. Tot de schat aan nieuwe gegevens behoren observaties van ‘losgeslagen’ magneetgolven, de eerste aanwijzingen voor een regio zonder stofdeeltjes rond de zon, de eerste niet-verstoorde waarneming van de uitstoot van hoogenergetische zonnedeeltjes en ook de verbluffende ontdekking dat de zonnewind een veel grotere zijwaartse snelheid heeft dan werd gedacht, een inzicht dat grote invloed kan hebben op onze kennis over de evolutie van sterren.

De Parker Solar Probe doet deze observaties terwijl ze zich binnen de corona van de zon waagt, een raadselachtige schil van gas en plasma met een temperatuur van één miljoen graden. Gedurende haar zeven jaar durende expeditie zal de Parker een steeds nauwere omloopbaan rond de zon volgen en uiteindelijk op een afstand van minder dan zesenhalf miljoen kilometer over het ziedende oppervlak van de zon scheren.

De Parker Solar Probe zal kunnen samenwerken met de nieuwe SolO-sonde, hoewel SolO de zon niet zo dicht zal naderen als de Parker. Na zijn lancering zal SolO in gedeeltelijke omloopbanen rond de aarde en Venus snelheid maken dankzij de zwaartekracht van beide planeten, waardoor het ruimtevaartuig richting de zon zal worden geslingerd. In de komende vijf jaar zal de zwaartekracht van Venus de sonde in een steile omloopbaan ten opzichte van het schijfvlak van ons zonnestelsel brengen, waardoor het ruimtevaartuig naar verwachting in 2025 voor het eerst de beide polen van de zon in het vizier zal krijgen. “Tijdens elke omloopbaan zal de sonde een beetje hoger over de zon vliegen, zodat we de poolregio’s als het ware stukje bij beetje kunnen uitpakken,” zegt Gilbert.

Samen zullen de beide ruimtevaartuigen opnamen in hoge resolutie van de waarschijnlijk meest dynamische en extreme regio van het solaire systeem maken. De sondes zullen in gecoördineerde banen rond de zon zonder verstoring kunnen bestuderen hoe de zonnewind – de vloed van deeltjes die permanent door de zon wordt uitgezonden – zich ontwikkelt terwijl hij richting het zonnestelsel blaast. SolO heeft ook een camera aan boord die opnamen kan maken van plekken die de Parker Solar Probe bezoekt. “Ze zullen elkaar echt geweldig aanvullen,” zegt Gilbert. “Het geeft ons informatie in contextueel verband, waarbij de Parker ter plekke de plasmastroom zal meten terwijl SolO er opnamen van maakt.”

Terwijl de beide sondes rond de zon vliegen, zal de DKIST vanaf zijn positie op de top van de vulkaan Haleakalā op Maui het oppervlak van de zon gedetailleerder in beeld brengen dan de twee verre ruimtevaartuigen dat kunnen. Dat is deels te danken aan zijn spiegel van 4,24 meter doorsnede, veel groter dan zelfs die van de ruimtetelescoop Hubble. “De dingen die DKIST kan, zouden we nooit vanuit de ruimte kunnen doen,” zegt Müller. “Deze telescoop heeft een ongekend oplossend vermogen in het zichtbare deel van het spectrum.”

Het is geen toeval dat de zon dezer dagen in de schijnwerpers staat, zegt Kelly Korreck, zonnefysica aan het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics en een van de hoofdonderzoekers voor een van de instrumenten aan boord van de Parker Solar Probe. Deze nieuwe observatoria, zowel op aarde als in de ruimte, zijn het resultaat van tientallen jaren van planning en technologische ontwikkeling. Zonder die voorbereiding zouden dit soort expedities niet mogelijk zijn geweest. “De technologie is ons te hulp geschoten,” zegt Korreck, “waardoor we nu enkele van onze meest gewaagde en coole missies kunnen uitvoeren.”

Vernuftige SolO

Intussen zouden de observaties van de zonnepolen door SolO een zeer belangrijk en ontbrekend stukje van de puzzel van de magnetische zonnecyclus kunnen vinden. Al vele jaren weten wetenschappers dat de activiteit van de zon fluctueert in een cyclus met een periode van elf jaar, maar ze zijn er nooit in geslaagd om de hypotheses die het mechanisme erachter beschrijven te laten samenvallen met werkelijke observaties. Een van de redenen voor die ongerijmdheid is volgens Müller het feit dat ze geen beschikking hadden over gedetailleerde gegevens van de zon. Pas halverwege de jaren negentig en het begin van de jaren nul ving het ruimtevaartuig Ulysses een glimp van de beide zonnepolen op, zij het van een enorme afstand en zonder camera aan boord. “We weten gewoon niet hoe de polen eruitzien en we hebben echt meer gegevens nodig om enkele van de mysteries rond de magnetische cyclus te kunnen oplossen,” zegt Müller. “Het is altijd onze blinde vlek geweest.”

Met zo’n alomvattend overzicht van de zon kunnen wetenschappers meer inzicht krijgen in de details van die magnetische cyclus en in de wijze waarop de energie van het magneetveld zich aan de oppervlakte van de ster manifesteert. Magnetische lussen (protuberansen) en plasmagolven op de zon kunnen soms zeer energiek zijn, en de onlangs ontdekte ‘losgeslagen golven’ kunnen misschien een van de grootste mysteries rond onze thuisster verklaren: waarom de corona zoveel heter is dan het oppervlak van de zon.

De plekken waar lussen hoog boven het oppervlak van de zon uitsteken, brengen vaak zonnevlammen voort. Af en toe wordt bij een zonnevlam een grote massa gemagnetiseerd plasma met supersonische snelheid uitgestoten. Als zo’n plasmawolk of ‘coronal mass ejection’ (CME) op de aarde is gericht, kan dat rampzalige gevolgen hebben.

In 1859 werd tijdens een extreem zware CME het nog jonge telegraafnetwerk op aarde platgelegd en lichtte de hemel op door noorder- en zuiderlicht dat zó fel was dat het ’s nachts leek alsof het dag was. Deze zogenaamde Carrington-gebeurtenis willen wetenschappers graag zo lang mogelijk van tevoren kunnen voorspellen.

Met voldoende waarschuwingstijd kunnen in zo’n geval kwetsbare satellieten en elektriciteitsnetten uit voorzorg worden uitgeschakeld en kunnen mensen die in een baan rond de aarde of verder in de ruimte verblijven, een schuilplaats opzoeken. “We kunnen de gevolgen ervan opvangen, maar we moeten echt begrijpen wanneer de zon actief wordt en welke gevolgen dat voor het magneetveld van de aarde heeft,” zegt Korreck. “Nu we voor onze communicatie steeds afhankelijker worden van satellieten en naar de maan en Mars zullen reizen en een planeet van ruimtevaarders zullen worden, moeten we inzicht krijgen in de gevaren voor bemanningen en voor kostbare elektronische systemen in de ruimte.”

Daarnaast zou een beter inzicht in de mechanismen van de zon ook kunnen bijdragen aan onze kennis over de mogelijkheid van levensvormen op planeten rond andere sterren. “Wat het voor mij zo spannend maakt, is het feit dat de zon ook gewoon een ster is,” zegt Fox. “We ontdekken hoe een ster werkt en dat is van toepassing op andere sterren in andere stersystemen.”

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com

lees verder

De zon wordt steeds vreemder, ontdekt Solar Probe

De eerste metingen van de langs de zon scherende Parker Solar Probe hebben onverwachte waarnemingen en nieuwe inzichten in de grote mysteries van onze ster opgeleverd.
4:45

Zon 101

De zon zorgt ervoor dat de planeten in hun baan blijven. Wat zou er gebeuren als de zon volledig verdween? Ontdek meer over het middelpunt van ons zonnestelsel en waarom het zo cruciaal is voor het leven zoals wij dat kennen.
Lees meer