Astronomen hebben reikhalzend uitgekeken naar de zonsverduistering die maandag in Canada, de VS en Mexico te zien was. Die kan, samen met de data van twee ruimtesondes, voor een revolutie in de zonnefysica zorgen.
Vandaag zal de maan voor de zon schuiven en een strook van zo’n 190 kilometer breed in duisternis hullen. Van Mazatlán in Mexico tot Newfoundland in Canada zal er rond de zon dan een lichtkrans te zien zijn. Ook wetenschappers vinden zo’n totale zonsverduistering erg opwindend. Het is een van de beste manieren om de zonnecorona te bestuderen, de ring van ‘vlammen’ die zich aftekent wanneer de maan het licht van onze moederster blokkeert. De corona blijft een van de meest mysterieuze verschijnselen van de zon. Vroeger dachten astronomen dat die bij de maan hoorde. Maar in 1806 begreep de Spaanse astronoom José Joaquín de Ferrer dat het om een fenomeen van de zon ging. Hij noemde de krans corona, het Spaanse woord voor kroon.
Tegenwoordig weten we dat de corona de gloeiend hete buitenste atmosfeer van de zon is, waaruit deeltjes in de vorm van ‘wind’ ontsnappen. Soms spuwt die ook grotere porties energierijk plasma uit, zogeheten ‘coronale massa-ejecties’ (CME). Maar hoe of waarom dit gebeurt, weten we nog niet.
Vandaag zullen astronomen hun telescopen op de corona richten om die fenomenen beter te leren begrijpen. Daarnaast zullen twee nieuwe ruimtesondes heel dicht bij de zon – zelfs binnen de corona – gegevens verzamelen. Dankzij die zonnesondes en de nieuwe inzichten die de eclips hopelijk oplevert, wordt 2024 misschien wel het spannendste jaar ooit van de zonnefysica.
Groene lijn
Zonnefysica ontstond tijdens een totale zonsverduistering in augustus 1868. Astronomen waren net prisma’s beginnen gebruiken om de chemische samenstelling van de zon met spectroscopie te onderzoeken. In het zonnespectrum zijn er namelijk donkere barcode-achtige lijnen te zien, die wijzen op de aanwezigheid van scheikundige elementen, zoals waterstof, natrium en ijzer. Tijdens die zonsverduistering ontdekten twee astronomen, onafhankelijk van elkaar, een nieuwe lijn in het zonnespectrum die voor een nog onbekend element stond. Ze noemden het helium, naar de Griekse zonnegod Helios.
Een jaar later, tijdens een andere totale zonsverduistering, zagen astronomen opnieuw iets vreemds in het zonnespectrum: een heldere groene lijn in de corona. Ze vermoedden dat die op een nieuw chemisch element wees en noemden het coronium. Pas zeventig jaar later kon een andere natuurkundige coronium correct identificeren: het bleek ijzer dat dertien keer geïoniseerd was; het bevatte dus maar half zoveel elektronen als een ‘normaal’ ijzeratoom. Zoiets was enkel mogelijk wanneer ijzeratomen verhit werden tot een duizelingwekkende één miljoen Kelvin. Alleen: de oppervlak tetemperatuur van de zon bedraagt slechts 5.780 Kelvin (of 5.506°C). Dat betekende dus dat de corona tweehonderd keer heter was dan de oppervlakte van de zon. Het is alsof je voor een kampvuur zou zitten op een stoel die tweehonderd keer heter is dan het brandende hout. Tot op vandaag blijft het lastig om dit gigantische temperatuurverschil te verklaren. ‘Niemand had ooit gedacht dat er in de zon plasma van een miljoen graden of meer zou zitten’, zegt zonnefysicus Dan Seaton (Southwest Research Institute in Boulder, Colorado). ‘Wat betekent dat? En welke gevolgen heeft dit?’
Het belangrijkste gevolg van die ontdekking kwam na een ‘triviale berekening’ van Eugene Parker, een astrofysicus van de University of Chicago. In 1958 ontdekte hij dat als de temperatuur in de corona een miljoen Kelvin bedraagt, dit volgens de wetten van de vloeistofmechanica tot een constante uitstroom van deeltjes moet leiden die uiteindelijk sneller dan het geluid reizen. Parkers idee stuitte op weerstand, maar in 1962 bevestigde de ruimtesonde Mariner II dat de deeltjes, zonnewind genoemd, inderdaad bestaan. We begrijpen het verschijnsel nog steeds niet helemaal, maar twee zonnesondes, waarvan een naar Parker is vernoemd, brengen stilaan antwoorden.
Hitteschild
De Parker Solar Probe, door de NASA in 2018 gelanceerd, is een van de meest robuuste ruimtevaartuigen ooit. Het heeft een elf centimeter dik hitteschild uit koolstofvezelcomposiet en kan temperaturen van 1.400°C en 2,5 miljoen watt zonne-energie doorstaan. De zonnepanelen kunnen als bescherming achter het hitteschild ingetrokken worden. En aan boord is er een watergebaseerd koelsysteem dat de hitte absorbeert en afgeeft aan de ruimte. De sonde werd speciaal ontworpen om dichter dan ooit tevoren bij de zon te komen, en monsters te nemen van haar atmosfeer, wind, magnetische velden en licht.
Eind 2021 werd de Parker Solar Probe de eerste ruimtesonde die door de zonnecorona vloog. Sindsdien is die de zon nog zo’n twintig keer dicht genaderd. Tijdens zijn zevenjarige missie zal de sonde 24 banen rond de zon voltooien en het zwaartekrachtveld van Venus gebruiken om zichzelf steeds dichter bij de zon te katapulteren. De zevende en laatste passage langs Venus is gepland voor november dit jaar. ‘Het is een onwaarschijnlijke en belachelijk riskante onderneming om de Parker Solar Probe rakelings langs de oppervlakte van de zon te laten scheren én in de één miljoen graden hete corona te laten duiken’, zegt Seaton. ‘Het is verbijsterend dat dit lukt.’
Het tweede ruimtetuig is de Solar Orbiter, een sonde van de ESA (European Space Agency), die in 2020 werd gelanceerd. Momenteel observeert die de zon vanuit de baan van Mercurius. Dat is minder dicht dan de Parker-sonde, maar voldoende om de heliosfeer te bestuderen, het gebied van geladen deeltjes die de zon in alle richtingen uitstoot. Het wordt het eerste ruimtetuig dat de poolregio’s van de zon – moeilijk of niet te zien vanop de aarde – gedetailleerd zal bestuderen.
De zon is een deeltjesversneller, een plasmabol, een kernfusiereactor, een stormwind van massa en energie, de bron van alle leven
Behalve de twee zonnesondes zijn er nog tal van zonne-observatoria op aarde. Verder krijgen de Parker Solar Probe en de Solar Orbiter binnenkort het gezelschap van andere ruimtevaartuigen en onderzoeksraketten, die de zon vanuit de aardatmosfeer zullen observeren. In april volgend jaar wil de NASA de Polarimeter to Unify the Corona and Heliosphere (PUNCH) lanceren, dat driedimensionale waarnemingen van de zonnewind zal doen terwijl die aangroeit en zich door het zonnestelsel verspreidt. In de toekomst zullen ruimtevaartuigen de zon misschien ook vanop hogere breedtegraden kunnen bezoeken. Het is een enorme uitdaging voor ruimtevaartingenieurs, maar zonnefysici zouden het fantastisch vinden.
‘Zonnefysica is een prille wetenschap’, zegt Lisa Upton (Space Systems Research Corporation in Boulder, Colorado). ‘Bijna al onze kennis over de zon hebben we pas sinds het begin van het ruimtevaarttijdperk vergaard.’
Dankzij de ruimtevaarttechnologie kunnen we de zon van dichtbij bezoeken. De Parker Solar Probe komt zelfs zo dicht bij onze ster dat het weleens spannend wordt. Zo vond er op 12 maart 2023 een krachtige zonne-uitbarsting plaats terwijl de Parker Solar Probe naar de zon gericht stond. Op slechts 8,5 miljoen kilometer van het zonne-oppervlak werd het hitteschild serieus op de proef gesteld. Gevoelige instrumenten achter het schild waren net bezig met het nemen van monsters van de buitenste zonne-atmosfeer. En toen spuwde de zon een ongewoon snelle en krachtige hoeveelheid geladen plasma uit. De Parker-sonde bevond zich in een positie om daar recht doorheen te vliegen.
De zon, de aarde, de Parker Solar Probe en de Solar Orbiter zetten zich schrap voor de enorme coronale massa-ejectie (CME). Meer dan veertig observatoria op aarde keken toe: het leverde een ongezien beeld van de gebeurtenis op, de ruimtesonde schommelde als een boot op de golven van de zee tijdens een storm. ‘We waren zo ontzettend dicht bij de zon dat we de bewegingen en trillingen op de versnellingsmeters van de ruimtesonde konden zien’, zegt Jim Kinnison, systeemingenieur voor de Parker Solar Probe-missie aan het Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL).
De CME in kwestie leidde tot waarschuwingen over het ruimteweer, omdat zo’n hevige uitbarsting van geladen deeltjes de atmosfeer van de aarde én de satelliet- en radiocommunicatie kon verstoren. De Parker-sonde zag het volledig gebeuren: van het ontstaan van de CME en de uitbarsting aan de zonne-oppervlakte tot zijn verspreiding door de ruimte. ‘We dachten dat we de structuur van CME’s min of meer begrepen, maar de details van de Parker Solar Probe tonen ons dat dit oneindig veel complexer is’, zegt astrofysicus Nour Raouafi, projectwetenschapper van het Parker Solar Probe-project bij APL. ‘Alle modellen die we voor zulke gebeurtenissen hebben, konden blijkbaar niet alles wat we zagen verklaren.’
Opwindend
Net zoals de aarde bestaat de zon uit verschillende lagen. Diep vanbinnen ligt de kern: hier wordt waterstof door kernfusie omgezet tot helium en andere zware elementen. Daarrond bevindt zich de stralingszone, gevolgd door de convectiezone, die magnetische velden genereert. De buitenste lagen zijn de fotosfeer (het heldere oppervlak), de chromosfeer (de overgangszone) en de corona. Elke laag heeft zijn eigen dominante soort natuurkunde, van vloeistofmechanica en hittestromen tot magnetische velden en deeltjesversnelling. ‘Juist die complexiteit maakt het zo moeilijk om de zon als geheel te bestuderen’, zegt Charles Kankelborg (Montana State University). Dankzij die nieuwe data kan de wetenschap eindelijk een completer beeld schetsen van de werking van de zon. ‘Plots is alles interessant en opwindend, alles gebeurt nu tegelijk’, zegt Seaton.
Wetenschappers denken nu dat de zonnewind in de corona ontstaat, maar zijn niet helemaal zeker waar precies of hoe. Bovendien zijn er twee soorten zonnewind: de snelle, die zich met 2,7 miljoen kilometer per uur kan verplaatsen, en de langzame zonnewind, die met een snelheid van 1,1 miljoen kilometer per uur uit de evenaarsgebieden komt. De snelle en langzame wind bevatten andere elementen en een verschillend aantal elektronen. Dat betekent vermoedelijk dat ze niet op dezelfde manier ontstaan. Maar allebei hebben ze iets te maken met de magnetische velden van de zon.
Die magnetische velden zijn complex omdat de zon een plasmabol van geladen deeltjes is. Terwijl er in de kern waterstof tot helium wordt verbrand, stroomt er energie naar de zonne-oppervlakte, waarbij warmte via convectie wordt getransporteerd. Omdat de zon aan de evenaar op een andere snelheid roteert dan aan de polen, kronkelen de magnetische velden uit het ijzer in de kern omhoog, als kolkende rijstkorrels in kokend water. ‘De magnetische velden raken verstrengeld en verstrikt in uiterst complexe en contra-intuïtieve configuraties’, zegt Upton. Zo kunnen magnetische velden met een tegengestelde polariteit elkaar opheffen en een U-bocht maken, en vervolgens een nieuwe richting uitschieten. Wanneer er zo’n reconnectie gebeurt, genereren de nieuwe magnetische veldlijnen een enorme kracht, die plasma wegslingert uit de zon – vergelijk het met een strak opgespannen elastiek die je loslaat.
Het bestuderen van de zon en haar activiteiten brengt niet alleen wetenschappelijke disciplines bij elkaar, maar verbindt ons ook met de andere planeten
Recent onderzoek gebaseerd op gegevens van de NASA en ESA geeft aan dat gekruiste magnetische veldlijnen soms kronkels van een bepaald type veroorzaken, die S-vormige golven ontketenen die plasma doen rondzwiepen. Vermoedelijk spelen die een rol bij het ontstaan van de langzame zonnewind. Kort daarna ontdekt het team van de Parker-sonde hoe magnetische reconnectie mogelijk ook de snelle zonnewind veroorzaakt. Raouafi en zijn collega’s toonden aan dat de stroom van snelle zonnewind aan de basis van de corona ontstaat, uit kleinschalige plasmajets die jetlets worden genoemd. Later in 2023 ontdekten zonnefysici ook deeltjesstromen die ontstaan in gaten in de corona, wat de snelle wind veroorzaakt. Het verschil tussen de langzame en snelle zonnewind heeft dan misschien te maken met de precieze rangschikking van de magnetische velden binnen de coronale gaten.
Als de zonnewind een stortbui is, dan zijn jetlets de afzonderlijke druppeltjes die samen de totale waterstroom vormen. Die kleine jets zijn te vinden op heldere plekken waar de magnetische veldlijnen in en uit de zon springen. Dit alles – magnetische reconnectie, coronale gaten en jetlets – maken het mogelijk dat de zonnewind doorheen de corona opstijgt, aan de zwaartekracht ontsnapt en een snelle zonnewind vormt. ‘Dingen die we vroeger niet begrepen – de extra verhitting, de manier waarop de zonnewind hoge snelheden bereikt, de vreemde magnetische kronkels – blijken nauw met elkaar verbonden’, zegt zonnefysicus Justin Kasper (University of Michigan).
De zon maakt zijn corona dus niet via één simpel proces. Relatief kleine dynamische verschijnselen sturen grootschalige, duidelijk waarneembare fenomenen aan, die we makkelijk kunnen zien maar niet goed begrijpen, zegt zonnefysicus Craig DeForest (Southwest Research Institute). ‘We zien nu dat al die zaken wellicht samenhangen’, zegt hij. ‘Er werd al over gespeculeerd, maar de ontdekking van jetlets was het harde bewijs dat kleine, explosieve gebeurtenissen belangrijk zijn voor de corona en de zonnewind.’
Andere experts betwijfelen echter of jetlets wel genoeg energie hebben om de zonnewind te versnellen. Misschien zijn spuitende jetlets een belangrijk onderdeel van de snelle zonnewind, maar niét de oorzaak, zegt astrofysicus Judy Karpen (Goddard Space Flight Center van de NASA). ‘Maar de rol van magnetische reconnectie lijkt in al die gevallen wél vrij zeker een gemeenschappelijk kenmerk’, zegt ze. Volgens Kankelborg hebben de jetlets wellicht voldoende energie om de zonnewind te voeden, misschien zelfs om die tot stand te brengen. Misschien dragen jetlets ook bij aan de mysterieuze extreme hitte van de corona. Vermoed wordt dat magnetische reconnectie het coronale plasma sterk verhit, en dat kleinschalige verschijnselen, zoals jetlets of aanverwante fenomenen, een rol spelen.
De zon is een deeltjesversneller, een plasmabol, een kernfusiereactor, een stormwind van massa en energie, de bron van alle leven. Het is wonderlijk dat we nu zo dichtbij kunnen komen en haar beter leren begrijpen. Het bestuderen van de zon en haar activiteiten brengt niet alleen wetenschappelijke disciplines bij elkaar, maar verbindt ons ook met de andere planeten. Door een beter begrip van onze moederster leren we ook meer over haar zustersterren in het heelal die ver weg zijn. Die studies zullen ons zelfs helpen om de planeten rond andere sterren te begrijpen. En die kunnen op hun beurt misschien een licht werpen op onze zon, zegt heliofysicus C. Alex Young (Goddard Space Flight Center). Wetenschappers hopen bijvoorbeeld dat het bestuderen van exoplaneetsystemen zal helpen om te begrijpen hoe onze zon net na haar geboorte was en hoe zij tegen het einde van haar leven zal zijn. Als we de aard van de zon kunnen doorgronden, zullen we uiteindelijk onszelf beter leren kennen en de fysieke redenen begrijpen voor een onontkoombaar feit in ons leven: dat de zon elke ochtend opkomt.
