Hoewel de mens inmiddels veel over de zon te weten is gekomen, blijft onze thuisster nog altijd in raadselen gehuld. Na zeven jaar relatieve rust begint de zon nu aan een nieuwe, turbulentere fase – en een vloot van zonne-observatoria is ter plekke om de ster te zien ontwaken. De ruimtesondes bieden wetenschappers een ongekende kans om de stormachtige ster en zijn invloed op onze kosmische omgeving van dichtbij te bestuderen.
Als een generatie cicaden die meer dan tien jaar onder de grond leeft en dan plotseling opduikt, kent ook de zon een cyclus van circa elf jaar, waarin stormachtige zonnemaxima en kalme zonneminima elkaar afwisselen. De cyclussen worden veroorzaakt door het interne magneetveld van de zon en zijn aan de oppervlakte te herkennen aan kenmerkende fenomenen als zonnevlekken en -vlammen.
Wetenschappers houden het humeur van de zon nauwlettend in de gaten, omdat uitbarstingen van de ster een verwoestende uitwerking op elektriciteitsnetwerken en communicatiesystemen op aarde kunnen hebben – technologieën die van levensbelang zijn voor de moderne beschaving. Ook kunnen ze schadelijk zijn voor astronauten en ruimtevaartuigen in een baan om de aarde en daarbuiten. Maar het was geen gemakkelijke opgave om inzicht te krijgen in de vaak onzichtbare verbanden tussen de zon en het zonnestelsel eromheen.
“Als ik dit alles als nietsvermoedende buitenstaander op enige afstand zou bekijken, dan zou ik denken: hoe zijn we in hemelsnaam zóveel te weten gekomen?” zegt James Klimchuk, zonne-onderzoeker van de NASA. “Maar er is ook nog ontzettend veel wat we niet goed begrijpen.”
“Als ik dit alles als nietsvermoedende buitenstaander op enige afstand zou bekijken, dan zou ik denken: hoe zijn we in hemelsnaam zóveel te weten gekomen?” zegt James Klimchuk, zonne-onderzoeker van de NASA. “Maar er is ook nog ontzettend veel wat we niet goed begrijpen.”
“Telkens wanneer ik daaraan denk, krijg ik weer kippenvel,” zegt Madhulika Guhathakurta, eveneens zonne-expert van de NASA en bovendien een fervente ‘eclipsjager’. “Ik denk dat ik vanwege één – en echt maar één – missie op het NASA-hoofdkwartier ben blijven werken, en dat is de Parker Solar Probe,” zegt zij.
Ook de ruimtesonde Solar Orbiter van de ESA zal de komende jaren in een baan rond onze thuisster worden gebracht en zal ons op termijn de eerste goede observaties van de zonnepolen bezorgen. Vóór deze missie moesten wetenschappers zich beperken tot het bestuderen van die zijden van de zon die vanaf de aarde zichtbaar zijn. Het onderzoek naar de polen is van groot belang voor ons inzicht in het magneetveld van de ster en daarmee van zijn activiteit gedurende die elfjarige cycli.
Voor ruimtefans is het spannendste aan de nieuwe cyclus misschien wel het feit dat het hoogtepunt ervan zal samenvallen met de totale zonsverduistering van 8 april 2024, die in heel Noord-Amerika te zien zal zijn. Dan zal de maan de zonneschijf blokkeren en zullen mensen die in de baan van zijn kernschaduw wonen een ragfijne en doorschijnende halo rond de donkere maanschijf te zien krijgen – de buitenste atmosfeer of corona van de zon. En omdat deze zonsverduistering in de buurt van het zonnemaximum zal plaatsvinden, zou de aanblik van de halo des te spectaculairder moeten zijn.
“Je zult aan alle kanten materiaal uit die halo zien wegschieten, heel dynamisch,” zegt Guhathakurta.
Het timen van de terminator
Zonne-experts mogen het dan eens zijn dat dit het begin is van een nieuwe zonnecyclus, maar de meningen zijn verdeeld over de vraag hoe krachtig de nieuwe cyclus zal worden. In september 2020 maakte het ‘Solar Cycle 25 Prediction Panel’ bekend dat Cyclus 25 was begonnen en voorspelde dat het een cyclus met een gemiddelde activiteit zou worden. Van oudsher worden deze voorspellingen gebaseerd op het aantal donkere zonnevlekken dat langzaam over het oppervlak van de zon trekt. De vlekken duiken op in regio’s waar het magneetveld van de zon het sterkst is en vervagen weer als de activiteit van de zon afneemt.
In december 2019 observeerden wetenschappers aan de hand van het gebrek aan zonnevlekken een zonneminimum; die observatie werd later als het officiële einde van Cyclus 24 vastgesteld. Op basis van het tempo waarin er aan het begin van de nieuwe Cyclus 25 weer nieuwe zonnevlekken opdoken, kwam het panel tot de conclusie dat de komende cyclus niet veel stormachtiger zal verlopen dan de relatief kalme Cyclus 24.
In december 2019 observeerden wetenschappers aan de hand van het gebrek aan zonnevlekken een zonneminimum; die observatie werd later als het officiële einde van Cyclus 24 vastgesteld. Op basis van het tempo waarin er aan het begin van de nieuwe Cyclus 25 weer nieuwe zonnevlekken opdoken, kwam het panel tot de conclusie dat de komende cyclus niet veel stormachtiger zal verlopen dan de relatief kalme Cyclus 24.
“Er is één ding dat mensen moeten beseffen: bij zonneactiviteit draait het om méér dan alleen zonnevlekken,” zegt Leamon, die de verrassende voorspelling samen met zijn team heeft gepubliceerd in het tijdschrift Solar Physics.
Toen Leamon en zijn team de terminators van de afgelopen 270 jaar op een rijtje zetten, ontdekten ze dat het tijdstip van zo’n terminator in direct verband staat met de kracht van de komende cyclus: hoe korter de tussenpozen tussen de vorige en nieuwe terminator, des te groter wordt de activiteit van de nieuwe cyclus. En dat is ook de situatie waarin we ons volgens Leamon nu bevinden, waarin de tijdspanne tussen de beide terminators kort is en de komende maanden de nieuwe magnetische activiteit van Cyclus 25 te zien zal zijn.
“We zijn dicht bij de overgang en dus zullen we een sterke toename in activiteit zien,” zegt Leamon.
Rampen voorspellen
Een krachtige zonnecyclus kan op aarde tot ernstige problemen leiden. Zonnevlekken kunnen reusachtige zonnevlammen veroorzaken, waarbij soms meerdere ‘coronal mass ejections’ (CME’s of ‘plasmawolken’) van straling en geladen deeltjes worden uitgebraakt. Wanneer een krachtige CME na enige tijd de aarde bereikt en op onze atmosfeer stuit, kan de geomagnetische storm die daarbij optreedt, veel schade aanrichten.
De meest beruchte CME vond in 1859 tijdens Cyclus 10 plaats en wordt het ‘Carrington Event’ genoemd. Daarbij werden telegraafverbindingen platgelegd en kregen telegrafisten tijdens het bedienen van hun apparaten letterlijk een schok. Aan de nachthemel was tot ver in het Caraïbisch gebied het noorderlicht te zien. Vandaag de dag zou een CME met de kracht van het Carrington Event verwoestend zijn voor elektriciteitsnetwerken en satellieten, gevaar opleveren voor astronauten in een omloopbaan rond de aarde, luchtvaartroutes in de war schoppen en de bovenste aardatmosfeer ondoordringbaar maken voor communicatiesystemen op de grond.
De meest beruchte CME vond in 1859 tijdens Cyclus 10 plaats en wordt het ‘Carrington Event’ genoemd. Daarbij werden telegraafverbindingen platgelegd en kregen telegrafisten tijdens het bedienen van hun apparaten letterlijk een schok. Aan de nachthemel was tot ver in het Caraïbisch gebied het noorderlicht te zien. Vandaag de dag zou een CME met de kracht van het Carrington Event verwoestend zijn voor elektriciteitsnetwerken en satellieten, gevaar opleveren voor astronauten in een omloopbaan rond de aarde, luchtvaartroutes in de war schoppen en de bovenste aardatmosfeer ondoordringbaar maken voor communicatiesystemen op de grond.
De invloed die de zonneactiviteit op de aarde uitoefent, wordt tegenwoordig met de term ‘ruimteweer’ aangeduid, en wetenschappers hebben de afgelopen jaren een beter beeld gekregen van de gevaren van dat weer. Hoe beter ze zonnestormen kunnen voorspellen, des te meer tijd er is om kwetsbare infrastructuur op aarde te beschermen, net zoals gewone weersvoorspellingen mensen bijvoorbeeld de gelegenheid geven zich voor te bereiden op een naderende orkaan.
“We zijn niet in staat om de zon tot de orde te roepen, maar als we op tijd worden gewaarschuwd, kunnen we hopelijk de gevolgen van deze uitbarstingen opvangen door op alternatieve stroomnetten over te schakelen,” zegt Gordon Emslie van de Western Kentucky University, voorzitter van het comité voor publieksvoorlichting van de Solar Physics Division, een afdeling van de American Astronomical Society.
Ook de Amerikaanse regering erkent de verwoestende kracht die zonnestormen kunnen hebben en nam in oktober 2020 de PROSWIFT-wet aan, waarmee meerdere overheidsdiensten worden aangestuurd om gezamenlijk onderzoek te doen naar de mysteries van het ruimteweer en tot betere voorspellingen te komen. Daarbij wordt prioriteit gegeven aan fundamenteel onderzoek naar het ontstaan en het traject van CME’s en zijn ook meerdere observatieprogramma’s en satellieten voor het bestuderen van dit fenomeen in het leven geroepen.
“Zoals je tornado’s en valbuien en orkanen beter kunt verklaren als je ze nauwgezet observeert, zo ook kun je het ruimteweer bestuderen en beter begrijpen,” zegt Emslie.
Diverse ruimtevaartorganisaties maken gebruik van een hele reeks zonnetelescopen op de grond en in een omloopbaan rond de aarde om in meerdere golflengten onderzoek naar onze thuisster te doen. Onlangs zijn daar dus de twee nieuwe zonnesondes van de NASA en de ESA bijgekomen, waarmee wetenschappers bij het observeren van de binnenkort stormachtige zon een plekje op de eerste rij hebben en hopelijk meer inzicht krijgen in enkele van de grootste raadsels omtrent de zon.
Rond het 'kampvuur'
In februari 2020 lanceerde de ESA zijn Solar Orbiter, die momenteel met behulp van meerdere zwaartekrachtsslingers rond Venus op weg is naar de zon. Eenmaal aangekomen, zal de sonde in een omloopbaan worden gebracht vanwaaruit hij de polen van de ster kan observeren. Voorlopig bestudeert het ruimtevaartuig de zon met een hele reeks instrumenten aan boord, die licht kunnen werpen op de invloed die de zon op de aarde uitoefent.
In februari 2020 lanceerde de ESA zijn Solar Orbiter, die momenteel met behulp van meerdere zwaartekrachtsslingers rond Venus op weg is naar de zon. Eenmaal aangekomen, zal de sonde in een omloopbaan worden gebracht vanwaaruit hij de polen van de ster kan observeren. Voorlopig bestudeert het ruimtevaartuig de zon met een hele reeks instrumenten aan boord, die licht kunnen werpen op de invloed die de zon op de aarde uitoefent.
“Het is een aanduiding voor zeer kleine oprispingen op de zon die van zeer korte duur zijn en zich overal in de zonne-atmosfeer voordoen,” zegt Daniel Müller van de ESA, wetenschappelijk hoofd van de Solar Orbiter-missie.
De kampvuren treden op in kalme regio’s van de zon en ontstaan wanneer de spanning in de verwrongen en verstrengelde krachtlijnen van het magneetveld dusdanig is opgelopen dat ze als overbelaste elastiekjes ‘knappen’. Wanneer de lijnen worden verbroken en opnieuw worden verbonden, geven ze hitte af, waarbij de relatief kleine zonnevlammen ontstaan. Eind april maakten wetenschappers op een vergadering van de European Geosciences Union bekend dat de energie die bij deze kampvuren vrijkomt, genoeg is om een hardnekkig mysterie omtrent de zon te verklaren.
Op het oppervlak van de zon is het zo’n 5500 graden Celsius, maar de corona erboven bereikt ziedende temperaturen van zo’n 556.000 graden of hoger. Het is een raadsel dat zonne-experts al bijna een eeuwlang proberen op te lossen.
“Het is vreemd dat je van de open haard wegloopt en dat het dan op honderd meter afstand opeens veel heter wordt,” zegt Müller. “Hoe kan dat?” Door het kokende zonne-oppervlak op de computer na te bootsen, berekende een team onder leiding van Yajie Chen van de Universiteit van Peking dat de energie die door de kampvuren wordt geproduceerd genoeg lijkt te zijn om de corona zo sterk te verhitten.
“De modellen zijn inmiddels zó verfijnd dat we kunnen beginnen te geloven in wat ze ons laten zien,” zegt Müller. “En wat ze laten zien, is dat we op het juiste spoor zitten.”
Dat is misschien niet zo verrassend, zegt Klimchuk van de NASA. De kampvuren lijken volgens hem grotere versies te zijn van nanoflares, kleine uitbarstingen op de zon die al in 1988 door de natuurkundige Eugene Parker werden aangewezen als de oorzaak voor de superhete corona.
Maar de nieuwe studie van Chen en de zijnen is nog niet afgesloten omdat ze nog kwesties openlaat, waaronder het feit dat kampvuren optreden in kalme zonneregio’s en hun energie aan de lagere zonne-atmosfeer afgeven terwijl nanovlammen zich hoger in de atmosfeer voordoen en bijzonder krachtig zijn in actieve regio’s van de zon. Desalniettemin helpen de observaties van de Solar Orbiter de wetenschappers om meer inzicht in het fenomeen te krijgen.
Maar de nieuwe studie van Chen en de zijnen is nog niet afgesloten omdat ze nog kwesties openlaat, waaronder het feit dat kampvuren optreden in kalme zonneregio’s en hun energie aan de lagere zonne-atmosfeer afgeven terwijl nanovlammen zich hoger in de atmosfeer voordoen en bijzonder krachtig zijn in actieve regio’s van de zon. Desalniettemin helpen de observaties van de Solar Orbiter de wetenschappers om meer inzicht in het fenomeen te krijgen.
Volgens Leamon “is dat de hamvraag” waarop het ruimtevaartuig een antwoord moet zien te vinden.
Het magneetveld van de zon ontstaat door ronddraaiende hete gassen die diep in het binnenste van de ster een dynamo vormen. Daarbij doorbreken de krachtlijnen van het magneetveld het oppervlak van de zon en wikkelen zich rond de ster. Om inzicht in dat proces te krijgen, willen wetenschappers de beide polen van de zon observeren. Die zijn van oudsher lastig te bestuderen vanwege de extra energie die nodig is om een ruimtevaartuig in zo’n afwijkende baan rond te zon te brengen. Maar over een paar jaar zal de Solar Orbiter zich in precies zo’n baan bevinden en hopelijk baanbrekende gegevens over die regio naar de aarde kunnen zenden.
Tegelijkertijd zal de Parker Solar Probe van de NASA onze thuisster extreem dicht naderen en zelfs meerdere keren in en uit de bovenste atmosfeer van de zon duiken. Daarmee hebben de wetenschappers bij het bestuderen van Cyclus 25 dus een plekje op de eerste rij. Voor het eerst zullen ze de zon van zeer dichtbij kunnen observeren terwijl hij uit zijn sluimering ontwaakt. Hopelijk kunnen ze daarbij verbanden leggen tussen de gegevens van de Parker Solar Probe en de lange tentakels van energie die de zon tot aan de aarde uitstrekt.
Spectaculaire eclips
Gedurende de komende zonnecyclus zullen mensen hier op aarde niet in een ruimtevaartuig hoeven te stappen om een goed beeld te krijgen van de actieve zon. Op 8 april 2024 zal de maan tussen de aarde en de zon schuiven en de zonneschijf geheel bedekken. Gedurende bijna vierenhalve minuut zal deze totale zonsverduistering in Noord-Amerika te zien zijn, in een smalle strook die zich van het noorden van Mexico naar Newfoundland uitstrekt. En hij valt precies in de periode waarin onze thuisster zijn zonnemaximum bereikt.
‘Eclipsjager’ Guhathakurta volgt het spoor die de kernschaduw van de maan over de aarde trekt (en waarin een zonsverduistering totaal is) al sinds 1991, toen ze voor de kust van Mexico haar eerste totale zonsverduistering aanschouwde – een ervaring die voor haar verrassend en transcendentaal was.
“Je verandert erdoor,” vertelt ze. “Het roept diepe gedachten op, over de kosmos en onze relatie ermee, over zeer basale vragen die wij als mensen hebben.”
De eclips van 2024 zal er anders uitzien dan de totale verduistering die eclipsjagers in 2017 konden volgen. Hoewel de kernschaduw van de maan bij die eclips dwars over de VS trok, vond ze plaats tijdens een kalme fase van de zon, wat betekende dat de corona – doorgaans het hoogtepunt van een totale zonsverduistering – nogal bescheiden van omvang was.
Normaliter is de corona, die zich tientallen miljoenen kilometers vanaf het oppervlak van de zon uitstrekt, door het felle zonlicht niet te zien. Maar wanneer tijdens een totale eclips de zonneschijf door de maan wordt afgedekt, kunnen aardbewoners de corona als een ijle en gloeiende sluier rond de inktzwarte maanschijf zien hangen.
Tijdens zonneminima zijn fenomenen als ‘corona-streamers’ (uitstromende plasmawolken) alleen in de buurt van de evenaar van de zon te zien en zijn daarnaast misschien een paar kleine zonnevlammen rond de donkere maanschijf te herkennen. Maar tijdens zonnemaxima zal de corona spectaculair zijn.
“Je zult heel wat corona-streamers zien, en dat niet alleen in de buurt van de evenaar maar ook vanaf de polen,” zegt Guhathakurta. “We zullen misschien enkele protuberansen of corona-lussen kunnen ontwaren, die na zonnevlammen kunnen optreden.”
Dit soort streamers, lussen en andere fenomenen zullen pas goed zijn te herkennen als de maan de zonneschijf volledig heeft afgedekt. Dat is ook het enige moment waarop de zon met het blote oog bekeken mag worden. Gedurende het hele proces waarin de maan nog bezig is om voor de felle zon te schuiven, waarbij hier op aarde schaduwen in de vorm van sikkels op de grond vallen en het langzaam spookachtig donker wordt, moeten kijklustigen zonnefilters gebruiken om hun ogen te beschermen. Ook de onversaagde zonne-observatoria die de zon vanuit de ruimte bestuderen, gebruiken zware filters om hun apparatuur te beschermen.
Maar wanneer de corona in volle glorie achter de maanschijf opduikt en de normaliter onzichtbare krachtlijnen van zijn extreme magneetveld zijn te volgen in de vorm van ijle lussen en streamers, dan werpen ze licht op een raadsel dat misschien in de komende jaren zal worden ontrafeld.
Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com
