De zon zoals je haar nooit eerder zag

Solar Orbiter vloog het dichtste langs de zon, het perihelium, op 26 maart. Het ruimtevaartuig bevond zich binnen de baan van Mercurius, op ongeveer een derde van de afstand van de zon tot de aarde, en het hitteschild bereikte temperaturen van rond de 500°C. Maar het wist die hitte af te voeren, dankzij de innovatieve technologie die erin is verwerkt, en het ruimtevaartuig bleef daardoor veilig werken.

Solar Orbiter heeft tien wetenschappelijke instrumenten aan boord – negen van ESA-lidstaten en eentje van de VS – die nauw samenwerken om unieke nieuwe inzichten te verschaffen in hoe onze lokale ster ‘werkt’. Sommige instrumenten zijn voor metingen op grote afstand en worden op de zon gericht, andere zijn in-situ instrumenten, die de omgeving direct rondom het ruimtevaartuig in kaart brengen. Zo kunnen wetenschappers een verband leggen tussen wat ze in de zon zien gebeuren en wat Solar Orbiter op locatie ‘voelt’, in de zonnewind miljoenen kilometers verderop. 

Wat het perihelium betreft, hoe dichter het ruimtevaartuig bij de zon komt, hoe fijner de details zijn die de instrumenten voor lange-afstandsmetingen kunnen zien. En het zat mee, want het ruimtevaartuig was getuige van verschillende zonnevlammen en zelfs een plasmawolk die in de richting van de aarde werd uitgestoten. Dat gaf een voorproefje van het real-time voorspellen van ruimteweer, dat steeds belangrijker wordt vanwege de bedreiging die ruimteweer vormt voor techniek en astronauten.

Direct naar een paar hoogtepunten:

Nieuw! De zonne-‘egel’

Verbanden leggen: de energetische uitbarsting van 21 maart

Het voorspellen van ruimteweer: de plasmawolk uitbarsting van 10 maart

Wat nog komt

De afbeeldingengalerij hieronder toont de zuidpool van de zon, actieve gebieden, de zon bij perihelium en meer - klik op de afzonderlijke afbeeldingen en filmpjes voor meer informatie:

Nieuw! De zonne-‘egel’

"De beelden zijn echt adembenemend", zegt David Berghmans van het Koninklijk Observatorium van België, hoofdonderzoeker van de Extreme Ultraviolet Imager (EUI), waarmee hogeresolutiebeelden worden gemaakt van de onderste lagen van de atmosfeer van de zon, de zonnecorona. Dat is het gebied waar de meeste zonneactiviteit plaatsvindt die het ruimteweer beïnvloedt. 

Het EUI-team staat nu voor de taak te doorgronden wat ze daar zien. Dat is niet eenvoudig want Solar Orbiter laat op deze kleine schaal enorm veel zonneactiviteit zien. Als ze een eigenschap of een gebeurtenis opmerken die ze niet meteen herkennen, moeten ze alle observaties van de zon uit eerdere ruimtemissies doornemen om te kijken of zoiets eerder is waargenomen. 

"Zelfs als Solar Orbiter morgen ophoudt metingen te doen, ben ik nog jaren bezig voordat ik dit allemaal heb uitgewerkt", zegt David Berghmans. 

Tijdens dit perihelium werd iets heel opmerkelijks waargenomen. Voorlopig hebben ze het ‘de egel’ genoemd. Het is 25.000 kilometer groot en omvat een heleboel zonnepieken van heet en koud gas die alle kanten op schieten.

Verbanden leggen

Het belangrijkste wetenschappelijke doel van Solar Orbiter is het onderzoeken van het verband tussen de zon en de heliosfeer. De heliosfeer is de grote ‘bel’ ruimte die zich uitstrekt tot voorbij de planeten van ons zonnestelsel. Die zit vol met elektrisch geladen deeltjes waarvan de meeste door de zon zijn uitgestoten in de vorm van zonnewind. Het is de beweging van deze deeltjes en de magnetische velden van de zon die ermee samenhangen die ruimteweer veroorzaken. 

Om de effecten van de zon op de heliosfeer in kaart te brengen, moeten de resultaten van de in-situ instrumenten, die de deeltjes en magnetische velden vastleggen die het ruimtevaartuig passeren, in verband worden gebracht met gebeurtenissen op of bij het zichtbare oppervlak van de zon die worden vastgelegd door de instrumenten voor lange-afstandsmetingen. 

Dat is niet eenvoudig want de magnetische omgeving van de zon is zeer complex. Maar hoe dichter het ruimtevaartuig bij de zon kan komen, hoe minder ingewikkeld het is om te bepalen waar uit de zon de deeltjes afkomstig zijn en welke magnetische veldlijnen ze als ‘snelwegen’ gebruiken. Het eerste perihelium was een belangrijke test op dit gebied en de resultaten zien er veelbelovend uit.

Op 21 maart, een paar dagen voordat het perihelium werd bereikt, spoelde een wolk van energetische deeltjes over het ruimtevaartuig. Dit werd gedetecteerd door de Energetic Particle Detector (EPD). Het was veelzeggend dat de meest energetische deeltjes als eerste langskwamen, gevolgd door die met steeds lagere energieniveaus. 

"Dit suggereert dat de deeltjes niet dicht bij het ruimtevaartuig worden gevormd", zegt Javier Rodríguez-Pacheco van de Universiteit van Alcalá in Spanje, hoofdonderzoeker van de EPD. In plaats daarvan zijn ze in de atmosfeer van de zon gevormd, dichter bij het oppervlak van de zon. Gedurende hun reis door de ruimte lopen de snellere deeltjes uit op de langzamere, net als hardlopers in een wedstrijd. 

Het Radio and Plasma Waves (RPW) experiment nam hun komst op dezelfde dag waar, doordat het de kenmerkende sterke radiofrequenties opving die worden opgewekt als versnelde deeltjes – voor het merendeel elektronen – zich in spiralen langs de magnetische veldlijnen van de zon naar buiten bewegen. De RPW detecteerde vervolgens oscillaties die bekend staan als Langmuir-golven. "Dat is een teken dat de energetisch geladen elektronen bij het ruimtevaartuig zijn aangekomen", zegt Milan Maksimovic van LESIA, het Observatoire de Paris in Frankrijk, die hoofdonderzoeker is van de RPW. 

Van de instrumenten voor lange-afstandsmetingen zagen zowel de EUI als de X-ray Spectrometer/Telescope (STIX) gebeurtenissen op de zon die mogelijk verantwoordelijk waren voor het vrijkomen van deze deeltjes. Terwijl de deeltjes die de ruimte in worden geblazen door de EPD en de RPW worden gedetecteerd, kunnen andere deeltjes na die gebeurtenis omlaag bewegen, waardoor ze in de onderste lagen van de atmosfeer van de zon terechtkomen. Daar speelt de STIX een rol. 

Waar de EUI ultraviolet licht waarneemt dat ter plaatse van de zonnevlam in de atmosfeer van de zon vrijkomt, pikt STIX de röntgenstraling op die vrijkomt als elektronen die door de zonnevlam worden versneld in contact komen met atoomkernen in de onderste lagen van de atmosfeer van de zon. 

Hoe al deze observaties precies verband houden met elkaar moet nu door de teams worden onderzocht. Er zijn aanwijzingen, op basis van de samenstelling van de deeltjes die door de EPD zijn gedetecteerd, dat ze waarschijnlijk werden geaccelereerd door een coronale schok als onderdeel van een meer geleidelijke gebeurtenis, eerder dan in een zonnevlam. 

"Mogelijk zijn er meerdere acceleratieplekken", zegt Samuel Krucker van FHNW in Zwitserland, hoofdonderzoeker van de STIX. 

Een onverwachte wending in het verhaal is dat de Magnetometer (MAG) op dat moment niets bijzonders registreerde. Dat is echter niet ongebruikelijk. De eerste uitbarsting aan deeltjes, de plasmawolk, heeft een sterk magnetisch veld dat de MAG gemakkelijk kan detecteren. Maar deeltjes met een hoog energetisch niveau reizen na zo'n gebeurtenis veel sneller dan de CME en kunnen een groot volume in de ruimte vullen, waardoor ze door Solar Orbiter worden gedetecteerd. "Maar als de CME het ruimtevaartuig niet raakt, ziet de MAG het kenmerkende veld niet", volgens Tim Horbury van Imperial College in het Verenigd Koninkrijk, hoofdonderzoeker van de MAG. 

Wat het magnetisch veld betreft, dit begint aan het zichtbare oppervlak van de zon, de fotosfeer. Daar schiet het binnenin de zon opgewekte magnetische veld de ruimte in. Om te onderzoeken hoe dat eruit ziet, heeft Solar Orbiter het instrument Polarimetric and Helioseismic Imager (PHI) aan boord. Dat kan de noord- en zuidpolariteit van de fotosfeer waarnemen, evenals de rimpelingen in het oppervlak van de zon die worden opgewekt door seismische golven die door het binnenste ervan reizen. 

"Wij doen de metingen van het magnetisch veld aan het oppervlak van de zon. Dat veld expandeert vervolgens, reikt tot in de corona en veroorzaakt in feite al het geflits en geknetter dat je daar ziet", zegt Sami Solanki van het Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen, Duitsland, die hoofdonderzoeker is van de PHI. 

Een ander instrument, de Spectral Imaging of the Coronal Environment (SPICE), legt de samenstelling van de corona vast. De overzichtskaarten die daarvan het resultaat zijn, kunnen worden vergeleken met de inhoud van de zonnewind zoals waargenomen door de Solar Wind Analyser (SWA).

"Hiermee volgen we hoe de samenstelling van de zonnewind zich ontwikkelt vanaf de zon tot aan het ruimtevaartuig. Dat geeft ons informatie over de mechanismen achter de versnelling van de zonnewind", aldus de hoofdonderzoeker van SPICE, Frédéric Auchère van het Institut d'Astrophysique Spatiale in Frankrijk.

Door het combineren van data van al deze instrumenten kan het wetenschappelijk team in beeld brengen hoe zonneactiviteit zich ontwikkelt vanaf het oppervlak van de zon, tot aan Solar Orbiter en verder. En die kennis is precies wat er nodig is voor een systeem om in de toekomst in real-time het zonneweer bij de aarde te voorspellen. Vlak voor het bereiken van het perihelium kreeg Solar Orbiter zelfs een voorproefje van hoe zo'n systeem zou kunnen werken. 

Het ruimtevaartuig vloog bovenstrooms ten opzichte van de aarde. Dat unieke perspectief betekende dat het de zonnewind kon waarnemen die pas enige uren later de aarde zou bereiken. Omdat het ruimtevaartuig in direct contact stond met de aarde, terwijl de signalen die het uitzendt met de snelheid van het licht reizen, bereikten de data de aarde in enkele minuten, klaar om te worden geanalyseerd. En het zat mee, want er kon verschillende keren een plasmawolk worden gedetecteerd, waarvan er een paar direct op de aarde af gingen. 

Op 10 maart spoelde er een plasmawolk over het ruimtevaartuig. Met data van de MAG kon het team voorspellen wanneer deze de aarde zou bereiken. Doordat dit via sociale media bekend werd gemaakt, stonden ‘skywatchers’ op tijd klaar voor de aurora, die inderdaad 18 uur later optrad, precies op het voorspelde tijdstip. 

Dat gaf Solar Orbiter een voorproefje van hoe het is om in real-time het ruimteweer ter plaatse van de aarde te voorspellen. Dergelijk onderzoek wordt steeds belangrijker vanwege de bedreiging die ruimteweer inhoudt voor techniek en astronauten. 

ESA plant momenteel een missie die ESA Vigil (schildwacht) wordt genoemd en die wordt gestationeerd aan één kant van de zon, zodanig dat deze dat deel van de ruimte kan zien waar zich ook de aarde bevindt. Deze krijgt de taak plasmawolken in beeld te brengen die door dit gebied reizen, vooral als ze in de richting van onze planeet gaan. Tijdens het perihelium zelf was Solar Orbiter zo geplaatst dat de instrumenten Metis and SoloHI precies zulke beelden en data konden leveren.

Het voorspellen van ruimteweer

Door het combineren van data van al deze instrumenten kan het wetenschappelijk team in beeld brengen hoe zonneactiviteit zich ontwikkelt vanaf het oppervlak van de zon, tot aan Solar Orbiter en verder. En die kennis is precies wat er nodig is voor een systeem om in de toekomst in real-time het zonneweer bij de aarde te voorspellen. Vlak voor het bereiken van het perihelium kreeg Solar Orbiter zelfs een voorproefje van hoe zo'n systeem zou kunnen werken. 

Het ruimtevaartuig vloog bovenstrooms ten opzichte van de aarde. Dat unieke perspectief betekende dat het de zonnewind kon waarnemen die pas enige uren later de aarde zou bereiken. Omdat het ruimtevaartuig in direct contact stond met de aarde, terwijl de signalen die het uitzendt met de snelheid van het licht reizen, bereikten de data de aarde in enkele minuten, klaar om te worden geanalyseerd. En het zat mee, want er kon verschillende keren een plasmawolk worden gedetecteerd, waarvan er een paar direct op de aarde af gingen. 

Op 10 maart spoelde er een plasmawolk over het ruimtevaartuig. Met data van de MAG kon het team voorspellen wanneer deze de aarde zou bereiken. Doordat dit via sociale media bekend werd gemaakt, stonden ‘skywatchers’ op tijd klaar voor de aurora, die inderdaad 18 uur later optrad, precies op het voorspelde tijdstip. 

Dat gaf Solar Orbiter een voorproefje van hoe het is om in real-time het ruimteweer ter plaatse van de aarde te voorspellen. Dergelijk onderzoek wordt steeds belangrijker vanwege de bedreiging die ruimteweer inhoudt voor techniek en astronauten.

ESA plant momenteel een missie die ESA Vigil (schildwacht) wordt genoemd en die wordt gestationeerd aan één kant van de zon, zodanig dat deze dat deel van de ruimte kan zien waar zich ook de aarde bevindt. Deze krijgt de taak plasmawolken in beeld te brengen die door dit gebied reizen, vooral als ze in de richting van onze planeet gaan. Tijdens het perihelium zelf was Solar Orbiter zo geplaatst dat de instrumenten Metis and SoloHI precies zulke beelden en data konden leveren. 

Metis maakt beelden van de corona op een afstand van 1,7 tot 3 maal de straal van de zon. Door het felle licht van de zon te verduisteren, kan het de zwakkere corona waarnemen. "Dat geeft dezelfde details als waarnemingen van zonsverduisteringen vanaf de grond, maar in plaats van enkele minuten kan Metis continu waarnemingen doen", aldus Marco Romoli van de Universiteit van Florence, Italië, die hoofdonderzoeker is van Metis. 

SoloHI legt beelden vast van zonlicht dat wordt verstrooid door de elektronen in de zonnewind. Eén bepaalde zonnevlam, op 31 maart, haalde de X-klasse, die van de meest energetische zonnevlammen die er zijn. Vooralsnog is de data nog niet geanalyseerd omdat veel ervan zich nog aan boord van het ruimtevaartuig bevindt en nog moet worden gedownload. Nu Solar Orbiter zich verder van de aarde bevindt, gaat het overdragen van de data trager en dus moeten de onderzoekers geduld hebben – maar ze staan klaar om met de analyses te beginnen als de data binnenkomt. 

"Wij zijn altijd geïnteresseerd in de grote gebeurtenissen want die geven de sterkste respons. Dat levert de interessantste natuurkunde op omdat je naar de extremen kijkt", zegt Robin Colaninno van het US Naval Research Laboratory in Washington DC, hoofdonderzoeken van de SoloHI.

Wat nog komt

Het lijdt geen twijfel dat de teams van alle instrumenten genoeg te doen hebben. Het perihelium was een geweldig succes en heeft enorme hoeveelheden buitengewone data opgeleverd. En dat is nog maar een voorproefje. Ondertussen racet het vaartuig al door de ruimte, onderweg naar het volgende perihelium ­– dat nog iets dichterbij zal komen – op 13 oktober, op een afstand van 0,29 maal de afstand van de aarde tot de zon. Voor die tijd, op 4 september, vliegt het voor de derde keer dicht langs Venus. 

Solar Orbiter heeft zijn eerste beelden al gemaakt van de grotendeels nog ononderzochte poolgebieden van de zon, maar er zit nog veel meer aan te komen. 

Op 18 februari 2025 nadert Solar Orbiter Venus voor de vierde keer. Dat vergroot de helling van de baan van het ruimtevaartuig tot ongeveer 17 graden. De vijfde zwaartekrachtduw langs Venus, op 24 december 2026, vergroot deze nog verder, tot 24 graden, en markeert het begin van de missie ‘op hoge breedtegraad’. 

In deze fase kan Solar Orbiter de poolgebieden van de zon directer dan ooit waarnemen. Dergelijke zichtlijnobservaties zijn essentieel voor het ontwarren van de complexe magnetische omstandigheden aan de polen, waarin misschien het geheim schuilt van de 11-jarige cyclus waarmee de activiteit van de zon toe- en afneemt.

"We zijn zo blij met de kwaliteit van de data die ons eerste perihelium heeft opgeleverd", zegt Daniel Müller, ESA-projectwetenschapper voor Solar Orbiter, "Het is moeilijk te geloven dat dit nog maar het begin van de missie is. Wij gaan het heel, heel druk krijgen."

 

Opmerkingen voor redacteurs

Solar Orbiter is een ruimtemissie waarin internationaal wordt samengewerkt door ESA en NASA. 

Eerdere perihelia vonden plaats op 15 juni 2020 (0,52 AU), 10 februari 2021 (0,49 AU), en 12 september 2021, (0,59 AU). Het perihelium van 26 maart 2022, bij 0,32 AU, wordt beschouwd als het eerste van een serie zeer dichtbije perihelia. Het volgende, op 13 oktober 2022, vindt plaats bij 0,29 AU. Er zijn 2 tot 3 perihelia per jaar. Klik hier voor een volledige lijst van alle perihelia en zwaartekrachtsslingers langs Venus. 

Meer informatie over deze mijlpalen wordt op termijn verschaft. 

Voor meer informatie kunt u contact opnemen met ESA Media Relations: media@esa.int