Nieuwe beelden van de atmosfeer van de zon bieden antwoorden en een nieuw mysterie

Onze zon wordt omgeven door een grote atmosfeer van een miljoen graden, de corona, die een invloed heeft op alles in zonnestelsel.  

De buitenste laag van die corona, de "outer corona" of buitencorona, brengt de zonnewind voort, een stroom van geladen deeltjes die uit de zon vloeien doorheen het zonnestelsel. Als de zonnewind in de buurt van de aarde gemeten wordt, blijken de magnetische velden die in de zonnewind ingebed zitten, in elkaar verweven en complex. De oorzaak van die complexiteit was  onduidelijk.

"Eerdere beelden toonden de buitenste corona als een gelijkmatige structuur, maar in de verre ruimte is de zonnewind turbulent en stormachtig", zei de leider van de nieuwe studie, Craig DeForest, in een mededeling van het Southwest Research Institute (SwRI) in Texas.  DeForest is een solair natuurkundige aan SwRI. "Maar hoe is de zonnewind zo geworden? Heeft hij de zon glad en gelijkmatig verlaten, en is hij turbulent geworden bij het doorkruisen van het zonnestelsel, of vertellen de windvlagen ons iets over de zon zelf?"

In de nieuwe studie zijn de onderzoekers er nu eindelijk in geslaagd om te zien hoe de zonnewind geboren wordt in de buitencorona van de zon. De beelden tonen genoeg details om de onderzoekers toe te laten een begin van een verklaring te geven voor het feit dat de zonnewind op zulke complexe manieren stroomt. Ze zijn tot de conclusie gekomen dat een waarschijnlijke verklaring is dat die turbulentie een erfenis is van waar de zonnewind vandaan komt, en dat de buitencorona zelf complex is.

 "Door nieuwe technieken te gebruiken om de beeldkwaliteit te verbeteren, kwamen we tot het besef dat de corona niet gelijkmatig en glad is, maar gestructureerd en dynamisch. Elke structuur waarvan we dachten dat we ze begrepen, blijkt gemaakt te zijn uit kleinere structuren, en meer dynamisch te zijn dan we dachten ", zo zei DeForest.

Om een beter beeld te krijgen van de corona, vertrokken DeForest en zijn collega's van coronagraaf-beelden, beelden van de atmosfeer van de zon die gemaakt worden met een speciale telescoop die het licht van het veel meer heldere oppervlak van de zon blokkeert, een coronagraaf dus. 

Die beelden werden gemaakt door de COR2 coronagraaf aan boord van het Solar and Terrestrial Relations Observatory-A of STEREO-A-ruimtetuig, dat rond de zon draait tussen de aarde en Venus. 

In april 2014 ging STEREO-A weldra achter de zon verdwijnen, en de onderzoekers wilden nog wat interessante gegevens verzamelen voor de communicatie met STEREO-A kort onderbroken zou worden. En dus verzamelden de onderzoekers gegevens gedurende een speciale drie dagen durende campagne, waarin COR2 beelden nam van de corona met een langere sluitertijd en een hogere frequentie dan gebruikelijk. 

Die lange sluitertijden geven licht van zwakke bronnen meer tijd om de detector van het instrument te raken, en laten dat zo toe om details te zien die het anders zou missen.   

Maar de onderzoekers wilden niet enkel beelden met een langere sluitertijd, ze wilden ook dat de beelden een hogere resolutie - detailscherpte - zouden hebben. Hun opties daarvoor waren beperkt: het instrument dat ze gebruikten bevond zich al in de ruimte, dus aan de hardware konden ze niets veranderen. En dus kozen ze in de plaats daarvan voor een software-benadering, waarbij ze de hoogst mogelijke kwaliteit uit de data probeerden te halen door de signaal-ruisverhouding van COR2 te verbeteren. 

De signaal-ruisverhouding is een belangrijk concept in bijna alle wetenschappelijke disciplines. Het geeft weer hoe goed je datgene wat je wil meten - het signaal - kan onderscheiden van zaken die je niet wil meten - de ruis. 

Stel dat je een bijzonder scherp gehoor hebt, en 's nachts het kleinste piepje van een muis op zolder kan horen, en het gefluister van je kinderen in hun slaapkamer naast die van jou kan verstaan. Je gehoor is feilloos - als er weinig lawaai is. Maar het is heel andere koek als je op de eerste rij staat bij een rockconcert. De andere geluiden in de omgeving zijn gewoonweg te overweldigend: hoe erg je ook je best doet, het piepen van een muis en gefluister - het signaal in dit geval - geraken niet boven de muziek uit - de ruis. Het probleem ligt niet bij je gehoor, de slechte signaal-ruisverhouding is de boosdoener. 

Bij de opnames van de COR2 coronagraaf doet zich hetzelfde probleem voor: het instrument is gevoelig genoeg om de corona zeer gedetailleerd weer te geven, maar in de praktijk worden de metingen "vervuild" door ruis, van de ruimte in de omgeving en zelfs van de bedrading van het instrument zelf. De belangrijkste innovatie van DeForest en zijn team ligt dan ook in het identificeren en wegfilteren van die ruis, zodat de signaal-ruisverhouding flink verbeterd werd en de corona details prijsgegeven heeft die nog nooit eerder gezien zijn. 

De eerste stap naar een betere signaal-ruisverhouding hadden de onderzoekers al gezet met de beelden met een langere sluitertijd. Een langere sluitertijd laat meer licht in de detector binnen, en vermindert het niveau van de ruis - het team schat een vermindering van de ruis met een factor 2,4 voor elk beeld, en met een factor 10 als de beelden gecombineerd worden over een periode van 20 minuten.  

Voor de volgende stappen waren algoritmen nodig. "We ontwikkelden nieuwe filter-algoritmen, die ontworpen en getest werden om de echte corona af te scheiden van de lawaaierige meetresultaten", zo zei doctor DeForest. De algoritmen filterden het licht weg van achtergrondsterren, die heldere vlekken veroorzaken in het beeld die niet echt deel uitmaken van de corona, corrigeerden voor kleine - enkele milliseconden - verschillen in hoe lang de sluiter van de camera geopend bleef, en verwijderden de  "basishelderheid" van al de beelden, en normaliseerden die, zodat de meer heldere regio's de meer duistere niet zouden overbelichten.

Maar een van de meest uitdagende obstakels was inherent aan de corona: bewegingsonscherpte te wijten aan de zonnewind. Om deze bron van ruis uit te schakelen, lieten DeForest en zijn collega's een speciaal algoritme draaien om hun beelden gelijkmatig in de tijd te maken. 

Makkelijk was dat niet: de corona is immers een dynamische structuur die constant in beweging en verandering is. Solair materiaal beweegt zich altijd weg van de zon om de zonnewind te worden. Het uitvlakken in de tijd zou bewegingsonscherpte creëren, hetzelfde soort van onscherpte dat je ziet bij foto's van bewegende objecten. En dat is een probleem als je fijne details wil zien. 

Om de bewegingsonscherpte van de zonnewind ongedaan te maken, gebruikten de onderzoekers een nieuwe procedure: terwijl ze de beelden uitvlakten, schatten ze de snelheid van de zonnewind, en verplaatsten ze de beelden parallel daarmee. 

Om te begrijpen hoe die aanpak werkt, moet je je voorstellen dat je foto's neemt van een autoweg terwijl er auto's voorbijrijden. Als je de beelden gewoon elkaar laat overlappen, zou het resultaat een grote wazige warboel zijn - er is te veel veranderd tussen elke twee foto's. Maar als je de snelheid van het verkeer zou kunnen berekenen, en je beelden verschuift om die te volgen, zouden de details van de afzonderlijke auto's plotseling zichtbaar worden. 

Voor de onderzoekers waren de auto's de fijnschalige structuren van de corona, en het verkeer op de autoweg de zonnewind. Uiteraard zijn er geen borden met een snelheidsbeperking in de corona die je kunnen zeggen hoe snel de dingen er bewegen. Om precies uit te vissen hoe zeer de beelden verschoven moesten worden, verschoven de onderzoekers de beelden pixel per pixel, en correleerden ze de beelden met elkaar om te berekenen hoe gelijkend ze waren. Uiteindelijk vonden ze de "sweet spot", de ideale positie, waar de elkaar overlappende delen van de beelden zo gelijkend waren als maar mogelijk was. De hoeveelheid verschuiving kwam overeen met een gemiddelde snelheid van de zonnewind van zo'n 136 mijl per seconde (zo'n 219 kilometer per seconde). 

Door elk beeld met die hoeveelheid te verschuiven, brachten ze de beelden in lijn met elkaar, en werkten ze de onregelmatigheden weg. "Deze techniek past de beelden aan, niet alleen in de ruimte, niet alleen in de tijd, maar in een bewegend systeem van coördinaten", zei DeForest op de site van de NASA. "Dat liet ons toe om de bewegingsonscherpte te corrigeren niet enkel met de snelheid van de wind, maar met hoe snel de kenmerken veranderden in de wind."

Nu hadden DeForest en het team de schikking over beelden van hoge kwaliteit van de corona, en een manier om te kunnen bepalen hoeveel de corona verandert in de loop van de tijd.  

De meest verrassende bevinding van de studie was niet een bepaalde fysieke structuur, maar wel de aanwezigheid van fysieke structuur op zich.

"Eerdere beelden van de corona toonden het gebied als een gelijkmatige, gelaagde structuur", zei Nicki Viall, een solair natuurkundige bij het Goddard Space Flight Center van de NASA in Greenbelt, en een mede-auteur van de studie.  "Het blijkt dat die schijnbare gelijkmatigheid enkel het gevolg was van de beperkingen van de resolutie van de beelden."

En dat bleek ook op te gaan voor de buitencorona, de buitenste lagen van de corona waar de zonnewind ontstaat. In tegenstelling met de dynamische, turbulente binnencorona, beschouwden de onderzoekers de buitencorona als glad en homogeen. Maar ook dat was slechts een resultaat van de slechte signaal-ruisverhouding: "Toen we zo veel ruis als mogelijk verwijderd hadden, realiseerden we ons dat de corona gestructureerd is, tot aan de kleinste optische resolutie van het instrument", zei DeForest. 

Zoals je de individuele blaadjes gras slechts kan zien als je er dicht bij bent, werd de complexe fysieke structuur van de corona nu pas in nog nooit eerder gezien detail blootgelegd. En uit die details kwamen drie belangrijke bevindingen tevoorschijn.  

De eerste bevinding gaat over streamers. Coronale streamers, ook "helmet streamers" genoemd omdat ze lijken op de puntige helm van een ridder, zijn heldere structuren die zich ontwikkelen boven gebieden in de zon met een verhoogde magnetische activiteit.

Tijdens een zonsverduistering kunnen ze makkelijk geobserveerd worden: magnetische lussen op het oppervlak van de zon worden door de zonnewind uitgerekt tot puntige toppen. De streamers kunnen uitgroeien tot plasmawolken (coronal mass ejections, CME's), de grote uitbarstingen van materie die delen van de zon in de omliggende ruimte uitstoten. 

Op basis van de bewerkte beelden blijkt nu dat ook die streamers zelf meer structuur vertonen dan gedacht werd. 

"Wat we ontdekt hebben is dat iets als een enkelvoudige streamer niet bestaat", zei DeForest op de NASA-website. "De streamers zelf zijn samengesteld uit een groot aantal fijne strengen, die samen een helderder element produceren."

Een tweede belangrijke bevinding van de studie heeft betrekking op het Alfvén-oppervlak. Waar eindigt de corona, en waar begint de zonnewind? Een definitie hierover verwijst naar het Alfvén-oppervlak, genoemd naar de Zweedse natuurkundige en Nobelprijs-winnaar Hannes Alfvén. 

Dat Alfvén-oppervlak is een theoretische grens waar de zonnewind sneller begint te bewegen dan golven er zich achteruit in kunnen voortplanten. Een verstoring die zich voorbij deze grens voordoet in het bewegende materiaal van de zon, kan nooit snel genoeg achteruit bewegen om de zon te bereiken. "Materiaal dat voorbij het Alfvén-oppervlak vloeit, is voor altijd verloren voor de zon", zei DeForest. 

Natuurkundigen hebben lang gedacht dat het Alfvén-oppervlak precies dat was, een oppervlak of een zeer dun laagje, waar de zonnewind plotseling een kritische snelheid bereikte. Maar dat is niet wat DeForest en zijn collega's gevonden hebben in hun data. 

"Wat we concluderen is dat er geen duidelijk Alfvén-oppervlak is", zei DeForest. "Er is een breed "niemandsland" of een "Alfvén-zone", waar de zonnewind zich geleidelijk losmaakt van de zon, in plaats van een enkele duielijke grens."

De observaties laten een onregelmatige structuur zien, waar, op een bepaalde afstand van de zon, bepaald plasma zich snel genoeg beweegt om achteruitgaande communicatie onmogelijk te maken, terwijl nabijgelegen stromen plasma dat niet doen. De stromen liggen dicht genoeg bij elkaar, en zijn fijn genoeg, om de natuurlijke grens van het Alfvén-oppervlak door elkaar te halen, zodat er een breed,  deels onsamenhangend gebied ontstaat tussen de corona en de zonnewind.     

Naast nieuwe inzichten hebben de nieuwe, nauwkeurige gegevens ook voor een raadsel gezorgd. Op een afstand van 10 zonneradiussen - de straal van de zon - van het oppervlak, zo'n 7 miljoen kilometer, gebeurt er iets vreemds met de zonnewind. Het lijkt wel of er daar een "hobbel in de weg" zit.

Op die afstand is er een minimum aan correlatie tussen de beelden die genomen werden, en zelfs opeenvolgende beelden passen niet meer goed bij elkaar. Op grotere afstanden van de zon, is dat wel opnieuw het geval, dus het probleem is niet dat men te ver van de zon was gekomen. Het lijkt alsof alles ineens verandert als het op de afstand van 10 zonneradiussen komt. 

"Er gebeurt daar interessante fysica", zei DeForest. "We weten nog niet wat het is, maar we weten wel dat het interessant zal zijn."

De bevindingen betekenen een vooruitgang in het al lang aanslepende debat over de oorzaak van de complexiteit van de zonnewind.

"We zien al deze veranderlijkheid in de zonnewind, net voor hij de magnetosfeer van de aarde raakt, en een van onze doelen was te vragen of het zelfs mogelijk was dat deze veranderlijkheid gevormd was op de zon. Het blijkt dat het antwoord ja is", zei Nicki Viall. 

Deze eerste waarnemingen bieden ook belangrijke inzichten in wat de komende Parker Solar Probe van de NASA zal vinden. Die missie wordt de eerste die metingen zal verzamelen van binnen in de buitencorona. Het ruimtetuig zal tot een afstand van 8,86 zonneradiussen van de zon reizen, recht in de regio waar interessante dingen gevonden zullen kunnen worden, afgaande op de resultaten van deze studie. 

De resultaten van DeForest en zijn team laten hen toe om voorspellingen te maken over wat de Parker Solar Probe in het gebied zal kunnen observeren. "We zouden overal scherpe schommelingen in densiteit, magnetische fluctuaties en reconnecties verwachten, en geen mooi gedefineerd Alfvén-oppervlak", zei DeForest. 

En vast staat ook wel dat, aangevuld met de metingen ter plaatse van de Parker Solar Probe, beeldvorming met een lange sluitertijd, en algoritmen om de ruis te verminderen, in de toekomst nog waardevoller zullen worden om onze dichtstbijzijnde ster beter te leren kennen.

De studie van DeForest, Viall en hun colega's is gepubliceerd in "The Astrophysical Journal" onder de naam "The Highly Structured Outer Solar Corona".