Satellieten ontcijferen de laatste raadsels van de zon

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 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.

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.

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.

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.

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.

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.