Our website does not support Internet Explorer.

To get the best experience on our website and of our content, please use a more modern browser like Edge, Chrome, Safari or similar.

Satellieten ontcijferen de laatste raadsels van de zon

Twee satellieten wagen zich de ruim een miljoen graden hete atmosfeer van de zon in om de laatste geheimen van de gasbol te ontrafelen. Het uiteindelijke doel is de aarde te beschermen tegen het krachtigste wapen van de ster.

Shutterstock

Gevaarlijke zonnevlammen

Miljarden tonnen heet gas worden vanaf de zon op de baan van de aarde af geslingerd.

De gasbel is groter dan 30 aardbollen en zit vol elektrisch geladen deeltjes die satellieten uit koers kunnen brengen en het elektriciteitsnet op aarde verwoesten.

De zonnevlam van 23 juli 2012 was de krachtigste in 150 jaar, maar hij raakte de aarde gelukkig net niet. Als de gassen een week eerder waren afgevuurd, was dat wel zo geweest.

De schade had catastrofaal kunnen zijn, en volgens onderzoekers zou het herstel vier tot tien jaar hebben geduurd.

Sindsdien is de activiteit van de zon afgenomen en zijn enorme zonnevlammen zeldzaam en minder krachtig geweest. Maar vanaf 2020 neemt de activiteit weer toe, en dat brengt de aarde in de gevarenzone.

Daarom lanceert de Europese Ruimtevaartorganisatie ESA in februari de satelliet Solar Orbiter om zonnevlammen van nabij te bestuderen.

Het idee is dat de Orbiter en andere satellieten en telescopen de weg banen voor een alarmsysteem dat waarschuwt voor frontale aanvallen van de zon.

Orbiter bespioneert de zon

1 / 3

De Solar Orbiter heeft diverse instrumenten aan boord, die o.a. magnetische velden meten en deeltjes die de zon uitspuwt bij een zonnevlam. De instrumenten kunnen vanuit de baan van de sonde een groot deel van de zon heel gedetailleerd bestuderen.

© C. Carreau/ESA

Baan nabij zon geeft Orbiter vaart

Vanaf de Amerikaanse basis Cape Canaveral maakt de Solar Orbiter een twee jaar lange reis, die de satelliet via twee slingers rond Venus en de aarde steeds dichter bij de zon brengt.

De satelliet moet de invloed van magnetische velden en deeltjes op de corona, de zonneatmosfeer, bestuderen.

Dat leert ons meer over de gehele heliosfeer, de bel van deeltjes die het zonnestelsel omsluit.

Veel processen van de zon zijn aan onze blik onttrokken, want doordat de zon om zijn eigen as draait, is een groot deel van zijn oppervlak de andere kant op gericht.

Met zijn spiegel met een diameter van 4,24 meter moet de telescoop Daniel K. Inouye op Hawaï vanaf 2020 voor, tijdens en na een zonnevlam detailfoto’s maken van de zon.

© NSO

De Solar Orbiter is de eerste satelliet die een week lang als een helikopter boven één punt van het zonneoppervlak kan hangen.

Dat komt doordat de satelliet in zijn elliptische baan de zon tot op 42 miljoen kilometer nadert – dichterbij dan Mercurius.

Hier versnelt het gravitatieveld van de zon de Orbiter tot 7200 km/h, wat overeenkomt met de rotatiesnelheid van de zon zelf.

Daardoor kan de Orbiter het hele verloop volgen van de allergrootste zonnevlammen – coronale massa-ejecties genaamd –, waarbij de zon gassen met elektrisch geladen deeltjes de ruimte in slingert.

De observaties moeten vaststellen of de huidige theorieën en computermodellen kloppen en hoe en waardoor de vlammen precies ontstaan.

Gesynchroniseerde sonde zweeft over zon

De massa van de zon versnelt de Solar Orbiter tot 7200 km/h – de rotatiesnelheid van de zon. Zo blijft de sonde op één plek boven het oppervlak hangen en volgt hij zonnevlammen stap voor stap.

Vlekken kondigen vlammen aan

De zon zendt al een zichtbare waarschuwing uit voor komende zonnevlammen, namelijk zonnevlekken.

Over een cyclus van circa 11 jaar bedekken deze de zon als donkere puntjes ter grootte van de aarde of enorme plekken over een groot deel van het oppervlak.

Sinds astronomen medio 18e eeuw zonnevlekken zijn gaan tellen, heeft de zon 24 cycli doorlopen, en de volgende bereikt eind 2026 zijn hoogtepunt.

Op dat moment stijgt het aantal zonnevlammen van circa één per vijf dagen tot drie per dag – met een veel groter risico dat de aarde wordt geraakt.

42 miljoen kilometer – zo dicht komt de Solar Orbiter bij de zon.

De vlekken ontstaan in gebieden waar het magnetisch veld van de zon zeer sterk is. Hier raken de vele veldlijnen verwrongen en vormen ze bogen die door het oppervlak breken en de corona in schieten.

Daar waar de ‘poten’ van de bogen in de ster steken, daalt de temperatuur van 5778 tot 4000 à 4500 kelvin en vormen zich zonnevlekken.

Omdat de meeste zonnevlammen in de bogen ontstaan, moet de Solar Orbiter gaan onderzoeken hoe de magneetvelden deze lussen in de loop der tijd vormen.

Gebroken bogen vuren plasma af

De magneetvelden ontstaan doordat alle materie in de ster plasma is, een energierijk gas met positief geladen atoomkernen en negatief geladen elektronen.

Als heet plasma in de buitenste 182.000 kilometer van de zon naar het oppervlak stijgt, terwijl het koelere plasma zinkt, creëren de bewegingen tussen de elektrisch geladen deeltjes magnetische velden, die omhoogsteken uit de corona.

Door turbulentie in het zonne-oppervlak worden de bogen in de corona verwrongen, waardoor de veldlijnen breken en worden herenigd.

Dit leidt tot een specifiek type zonnevlam: protuberansen. Dit zijn enorme lichtflitsen, die uren kunnen duren en waarbij net zo veel energie vrijkomt als bij een explosie van 160 miljard ton springstof.

Het hitteschild van de Orbiter is bekleed met een laag verbrande en verpulverde dierenbotten.

© S. Corvaja/ESA

Als de veldlijnen breken, laten ze het plasma dat in de bogen werd vasthouden, los. Dat leidt tot een coronale massa-ejectie, waarbij het plasma met 20.000 à 30.000 km/s uit de corona wordt geblazen.

Soms wordt een protuberans echter niet gevolgd door een enorme zonnevlam, en we weten niet hoe dat komt.

Daarom moet de Solar Orbiter zowel langdurige als plotse veranderingen in het magnetisch veld meten om de processen achter de verschillende zonnevlammen te doorgronden.

Storm legt maatschappij plat

De grootste bekende massa-ejectie trof de aarde in 1859 en ontketende een zogeheten geomagnetische storm.

De grootste schade werd toegebracht aan de telegraaflijnen, die een tijdje buiten werking waren. Twee derde van de aarde ervoer de storm als noorderlicht, dat tot op Cuba en Hawaï voorkwam.

Zonder alarmsysteem kan een zonnevlam in onze huidige hightech maatschappij veel meer impact hebben dan toen.

De omvang van de schade hangt af van de oriëntatie van de veldlijnen in de zonnevlam.

Als ze parallel liggen aan de lijnen van het magnetisch schild van de aarde, worden de deeltjes rond de aarde geleid.

Zo niet, dan gaat het plasma door het schild en belanden er tonnen geladen deeltjes in de atmosfeer.

© A. Baker/ESA

Nieuwe waakhond moet alarm slaan

Een enorme zonnevlam die de aarde treft, zet niet alleen het stroomnet maanden buitenspel. Ook telecomsatellieten kunnen door deeltjes ervan uit koers worden gebracht. Daarom werkt de ESA aan de Lagrangesatelliet, die vanaf 2023 de zon moet observeren vanuit het zogeheten lagrangepunt 5 of L5.

  • De aardmagnetische velden

    De gravitatievelden van zon en aarde wegen tegen elkaar op, waardoor objecten worden vastgehouden in lagrangepunt 5.

  • Lagrangesatelliet

    Hiervandaan kan een satelliet een deel van het oppervlak van de zon zien dat pas vier à vijf dagen later naar de aarde gekeerd is.

  • Gigantische zonnevlam

    Daarmee kan de Lagrangesatelliet tijdig waarschuwen bij zonnevlammen, zodat we delen van het elektriciteitsnet kunnen afsluiten en satellieten kunnen uitschakelen.

De zonnevlam beïnvloedt elektrisch geleidende materialen op aarde net zoals een inductiefornuis.

Als een groot aantal elektrisch geladen deeltjes de atmosfeer binnendringt, ontstaan elektromagnetische velden, die stromen kunnen opwekken – of induceren – in bijvoorbeeld stroomkabels.

Daardoor raken satellieten, transformatoren en elektrische apparatuur met een stekker overbelast en ontstaat er kortsluiting.

Als satellieten bijvoorbeeld kantelen, worden ze tijdelijk onbruikbaar en ligt mogelijk een groot deel van het telecomnetwerk eruit.

De gevolgen van stroomuitval zijn nog ingrijpender. Zo zijn de watervoorziening en de levensmiddelenproductie afhankelijk van stroom voor elektrische pompen en koelsystemen.

Het kan maanden duren voor de elektriciteitsvoorziening geheel hersteld is, en intussen ligt de maatschappij plat.

De Solar Orbiter is dan ook essentieel voor het opzetten van een alarmsysteem, dat ontluikende zonnevlammen waarneemt en alarm slaat bij reëel gevaar.

Effectief alarm door nieuwe kennis

De huidige waakhond is NASA’s Solar and Heliospheric Observatory, SOHO, dat zich op 1,5 miljoen kilometer van de aarde bevindt met zicht op de zon.

De satelliet observeert massa-­ejecties in onze richting en slaat minimaal 15 uur voor de bel ons treft, alarm. Maar om het elektriciteitsnet afdoende te beschermen, zijn twee à drie dagen nodig.

De Solar Orbiter komt slechts eens in de vijf maanden dicht bij de zon en kan dus geen permanente wachtpost zijn.

Daarom werkt de ESA ook aan de Lagrangemissie, een waarschuwingssatelliet die in 2023 naar een punt in de ruimte moet worden gebracht vanwaar hij de zon van de zijkant kan zien.

Zo kan hij gebieden bewaken die pas een paar dagen later naar de zon gericht zijn en ons tijdig op de hoogte stellen.

Hoe meer we over de herstructurering van de magneetvelden weten, hoe eerder en betrouwbaarder de satelliet alarm kan slaan.

De lancering van de Orbiter is daarmee de eerste stap naar een veiligere aarde als het volgende zonnevlamseizoen eraan komt.

De raadselachtige corona

De raadsels van de hete buitenkant

Bulderende gassen binnen in de zon laten het oppervlak bewegen en beieren als een klok. Op basis van de trillingen is de gelaagde structuur van onze ster goeddeels in kaart gebracht, maar de hete atmosfeer heeft nog steeds grote geheimen.

SDO/Claus Lunau

Oppervlak is van lichtgevend gas

Het zonneoppervlak, de fotosfeer, is van 5500 °C heet plasma van waterstof en helium, dat bij die warmte zichtbaar licht uitzendt. Als atomen opwarmen, gaan de elektronen naar een hoger energieniveau. Daalt dit weer, dan wordt de energie uitgezonden als licht.

SDO/Claus Lunau

Wissel creëert magneetvelden

In de convectiezone wordt heet plasma uit het binnenste van de zon uitgewisseld met afgekoeld plasma van het oppervlak. Die beweging creëert behalve een patroon op het oppervlak circulatie in het elektrisch geleidende plasma. Zo ontstaan magneetvelden.

SDO/Claus Lunau

Kern is de energiecentrale

De kern van gecomprimeerd gas is blootgesteld aan een druk van 265 miljard keer die van atmosferische lucht. In dit warmste deel van de ster is het 15 miljoen °C. Bij die hitte fuseert waterstof tot helium en komt energie vrij in de vorm van warmte en licht.

SDO/Claus Lunau

Intense hitte bevreemdt

Rond de zon ligt de corona, de buitenste atmosfeer, die onverklaarbaar heet is. Nieuwe sondes moeten er dichtbij komen om te begrijpen hoe hij zonnevlammen en de zonnewind beïnvloedt.

SDO/Claus Lunau

De onderste laag van de zonneatmosfeer, de chromosfeer, is circa 10.000 °C. Maar in een smalle overgangszone van 100 km bij de buitenste atmosfeer, de corona, schiet de temperatuur plotseling naar een half miljoen °C, en hogerop stijgt hij zelfs naar 1 à 2 miljoen °C. De onderzoekers begrijpen echter niet waarom dat zo is.

SDO/Claus Lunau

De temperatuurveranderingen kunnen een centrale rol spelen bij bijvoorbeeld de zonnewind en enorme zonnevlammen, maar de samenhang is onbekend. Razendsnelle deeltjes creëren de extreme hitte in de corona. Maar hun dichtheid is nog geen biljoenste g/cm3, waardoor ze slechts beperkt warmte afgeven aan de Parker Solar-satelliet, die de corona in moet.

SDO/Claus Lunau

De onstuitbare zonnewind

De spanning was te snijden in het controlecentrum van NASA toen de Parker Solar-sonde op 7 november 2018 na zijn eerste omwenteling om de zon een levensteken moest geven.

De satelliet was de ster dichter genaderd dan enig ander door mensen gemaakt object. Toen er een ‘A’ op het scherm verscheen in het Johns Hopkins Applied Physics Lab in Maryland, was de opluchting groot.

Die status betekende dat de Parker de reis goed had doorstaan en dat alle instrumenten werkten en data verzamelden.

Sindsdien heeft de Parker Solar Probe nog twee rondjes om de zon gemaakt en zijn eerste datapakket naar de aarde gestuurd.

Met elke omwenteling komt hij dichter bij de zon, tot hij bij de 24e omwenteling op 24 december 2024 op 6,2 miljoen kilometer passeert.

Vandaar kan hij de opvallend hete zonneatmosfeer, de corona, en de plotse versnelling van deeltjes van de zonnewind zien, voelen en meten.

Diverse vaartuigen en telescopen helpen de Parker om de zon zijn laatste grote geheimen te ontfutselen.

Gepantserde sonde kust atmosfeer van de zon

1 / 3
123

Na zijn eerste omwenteling zet de zonnesonde Parker nu koers naar de corona om te bekijken waarom dit gebied zo veel warmer is dan het oppervlak. Dat moet duidelijk maken hoe er een constante deeltjesstroom van de ster kan ontsnappen die een bel vormt rond het zonnestelsel.

© SDO/Jhuapl/NASA

Datapakket is groter dan verwacht

Vóór de Parker had de sonde Helios-B het dichtst om de zon gedraaid. Die scheerde in 1976 op 44 miljoen kilometer afstand langs.

De Parker moet zeven keer dichterbij komen en heeft met zijn eerste omwenteling op 24 miljoen kilometer van de ster het record al verbroken.

De Parker nadert geleidelijk. Hij komt zeven keer dicht langs Venus, en de zwaartekracht daarvan vertraagt de sonde, wat zijn baan in de omwentelingen daarop kleiner maakt.

Het gravitatieveld van de zon versnelt de satelliet juist zozeer dat hij het snelste vaartuig van het zonnestelsel wordt, met een topsnelheid van 692.000 km/h.

Het 11,5 centimeter dikke hitteschild van de satelliet wordt wel 1377 °C, want bij de ster is het zonlicht 475 keer zo sterk als hier op aarde.

Dankzij het schild wordt het voor de instrumenten niet warmer dan 30 °C. Bij de eerste omwentelingen bleken ze ondanks de intense hitte perfect te werken.

7 x dichter komt Parker bij de zon dan de voormalige recordhouder, Helios-B.

Het eerste datapakket van de Parker was echter meer dan alleen een test. De sonde stuurde 22 GB aan data naar de aarde – ruim 50 procent meer dan verwacht. Nu worden de data uitvoerig geanalyseerd, wat mogelijk leidt tot baanbrekende resultaten lang voor de missie haar hoogtepunt bereikt.

Het instrument Solar Probe Cup is vooral belangrijk, omdat dit uit het schild steekt. Vandaar kan het gepantserde instrument rechtstreeks in de corona zelf deeltjes meten, waar geen satelliet ooit eerder is geweest.

Sonde duikt de zonnewind in

Vanuit het buitenste deel van de corona gaat er een continue stroom van geladen deeltjes, vooral protonen en elektronen, door het hele zonnestelsel.

Elke seconde worden er 1,3 tot 1,9 miljoen deeltjes uitgezonden, die samen de zonnewind vormen.

Het magnetische schild van de aarde laat het merendeel ervan om onze planeet heen gaan, maar zo nu en dan zijn de geladen deeltjes als noorderlicht te zien.

Op lange ruimtereizen kan straling bij astronauten kanker veroorzaken.

Het is daarom van belang de zonnewind te doorgronden om missies naar de maan en Mars zo goed mogelijk te kunnen beschermen.

Parker heeft een stroom van deeltjes vanaf de zon opgevangen. Mercurius vormt de zwarte puntjes op de foto, die van dichter bij de zon is genomen dan ooit te voren.

© Parker Solar Probe/NASA

Er zijn twee varianten van de zonnewind.

De snelle zonnewind, met snelheden van 750 km/s, wordt uitgezonden aan de polen. De langzame variant ontsnapt vanuit de rest van de corona met 400 tot 500 km/s, en dat kunnen astronomen nog niet verklaren.

Onder in de corona worden de geladen deeltjes vastgehouden door gekromde magneetvelden die uit het oppervlak steken.

In de buitenste corona versnelt een onbekend fenomeen de deeltjes echter zozeer dat de magneetvelden en het gravitatieveld van de zon ze niet kunnen vasthouden.

Bij de eerste omwentelingen bevindt de satelliet zich buiten het gebied waar die versnelling plaatsvindt en meet hij protonen en elektronen die juist de ruimte in geblazen zijn.

Op den duur komt hij onder de grens en kan hij het proces dat de deeltjes versnelt direct meten. Dat kan het raadsel oplossen.

Twee fenomenen verhitten corona

Het is ook mogelijk dat er een verklaring voor de vlucht van de deeltjes opduikt als de Parker een van de andere grote raadsels onderzoekt: waarom de corona 200 à 500 keer zo warm is als het oppervlak van de zon.

Het gas in de buitenste atmosfeer is 1 à 2 miljoen °C, terwijl het oppervlak ‘maar’ 5500 °C is. Dat is alsof het warmer wordt als je verder van de haard af gaat staan.

Een deel van de verklaring zijn krachtige magneetvelden aan het zonneoppervlak, die naar astrofysici vermoeden de deeltjes in de corona opwarmen.

Maar hoe is niet precies bekend. Ook grote zonnevlammen dragen bij aan het proces, maar die zijn te zeldzaam om de hele corona op te warmen.

Vijf vaartuigen kamden de zon uit

De laatste 60 jaar hebben de pioniers van het zonnestelsel beetje bij beetje de fenomenen blootgelegd die nu door nieuwe missies moeten worden verklaard.

  • © RIA Novosti

    1959: Loena 1 vond bewijs voor zonnewind

    In 1957 voorspelde de astrofysicus Eugene Parker de zonnewind. Toen de Russische Loena 1 als eerste sonde ooit in een baan om de zon ging en deeltjes van de zonnewind mat, werd zijn theorie bevestigd.

  • © NASA

    1973: Skylab ontdekte gaten in de corona

    Op het eerste Amerikaanse ruimtestation, Skylab, werd met een röntgentelescoop ontdekt dat de zon een snelle en een langzame zonnewind heeft. De snelle komt uit zogeheten coronale gaten.

  • © NASA

    1990: Ulysses spoorde bron van de zonnewind op

    Als eerste satelliet vloog de Ulysses van de ESA over de polen van de zon. Hier ontdekte hij dat de snelle zonnewind van de polen komt en de langzame van de evenaar, in perioden met weinig zonneactiviteit.

  • © SOHO

    1995: SOHO bestudeerde verloop van zonnevlam

    De langst actieve zonnesonde, de Solar and Heliospheric Observatory of SOHO, bestudeerde ruim 20.000 enorme zonnevlammen gedurende twee cycli. Hij waarschuwt ons voor aanstaande zonnevlammen.

  • © Goddard Space Flight Center/NASA

    2007: Hinode vond mogelijke warmtebron van de zon

    De Japanse satelliet Hinode observeerde nanovlammen en magnetische golven, die mogelijk kunnen verklaren waarom de corona 200 à 500 keer zo warm is als het oppervlak van de zon. De Parker Solar Probe moet vaststellen of beide mechanismen een rol spelen.

Daarom moet de Parker specifiek twee mechanismen onderzoeken die vermoedelijk bijdragen aan de opwarming.

Het ene zijn kleine zonnevlammen, nanovlammen, die ontstaan als de bogen van de magnetische velden in de atmosfeer breken en worden herenigd in een stabiele structuur – net als grote zonnevlammen.

Nanovlammen geven nog geen miljardste vrij van de hitte van een grote zonnevlam, maar als er elke seconde een miljoen van ontstaan, kunnen ze samen de hoge coronatemperatuur veroorzaken.

Het andere mechanisme wordt gevormd door magnetische golven, die diep in de zon ontstaan en naar de corona razen, waar ze veldlijnen laten trillen.

Als gevolg daarvan gaan geladen deeltjes in de corona spiralen vormen rond de veldlijnen, en dat versnelt de deeltjes en verhoogt zo de temperatuur.

Als magnetische golven de verklaring zijn, kunnen de magnetische instrumenten van de Parker de veranderingen opvangen die zij veroorzaken.

692.000 kilometer per uur haalt de Parker – het snelste ruimtevaartuig ooit.

Warmen nanovlammen de corona op, dan kan de Parker het aantal kortsluitingen in de veldlijnen tellen waar ze door ontstaan.

Zo wordt duidelijk of het om één of beide mechanismen gaat – en welke rol de opwarming speelt bij de zonnewind.

Samenspel geeft totaaloverzicht

De Parker krijgt gezelschap als de Europese satelliet Solar Orbiter in 2023 op 42 tot 135 miljoen kilometer van de zon in een baan gaat.

De twee sondes vormen de buitenste voorpost in een samenspel tussen satellieten en telescopen op aarde dat astrofysici meer mogelijkheden biedt.

Zo kan de Parker deeltjes meten als deze de ruimte in geslingerd worden, terwijl de Solar Orbiter de metingen verder naar buiten herhaalt.

Observaties op meerdere afstanden kunnen duidelijk maken waarom de deeltjes op weg naar de aarde geen energie verliezen, maar bijna dezelfde snelheid en temperatuur houden.

Tot slot krijgen de twee satellieten hulp van ’s werelds grootste zonnetelescoop, de Daniel K. Inouye-telescoop op Hawaï, die in juni met zijn observaties begint.

Hij gaat de zon twee keer per minuut fotograferen en kan details zien op een oppervlak van 70x70 kilometer. Mogelijk kan de samenwerking de laatste geheimen van de zon ontrafelen.

Lees ook:

Sollisten
Zon

10 dingen die je niet wist over de zon

7 minuten
Zon

Wat gebeurt er als de zon uitdooft?

3 minuten
Zon

Dit gebeurt er met de energie van het zonlicht

3 minuten

Log in

Ongeldig e-mailadres
Wachtwoord vereist
Toon Verberg

Al abonnee? Heb je al een abonnement op ons tijdschrift? Klik hier

Nieuwe gebruiker? Krijg nu toegang!

Reset wachtwoord

Geef je mailadres op, dan krijg je een e-mail met aanwijzingen voor het resetten van je wachtwoord.
Ongeldig e-mailadres

Voer je wachtwoord in

We hebben een mail met een wachtwoord gestuurd naar

Nieuw wachtwoord

Enter a password with at least 6 characters.

Wachtwoord vereist
Toon Verberg