NSF Inouye Solar Telescope maakt belangrijke ontdekking van verborgen zonneproces

Wetenschappers die gebruikmaken van de Daniel K. Inouye Solar Telescope van de Amerikaanse National Science Foundation (NSF) hebben een grote doorbraak in de zonnepfysica behaald. Zij hebben de Kelvin-Helmholtz-instabiliteit op het oppervlak van de zon ontdekt, een vondst die kan helpen bij het verklaren van explosieve zonneactiviteit en andere zonnefenomenen.

Samenvatting

Het U.S. National Science Foundation National Solar Observatory (NSF NSO) kondigde vandaag een belangrijke doorbraak in de zonnepfysica aan. Met behulp van de krachtigste zonnetelescoop ter wereld — de NSF Daniel K. Inouye Solar Telescope nabij de top van Haleakalā op Maui — en computersimulaties, heeft een internationaal team van wetenschappers van het NSO, het NSF NCAR High Altitude Observatory (HAO) en het Max Planck Institute for Solar System Research (MPS) de signatuur van Kelvin-Helmholtz-instabiliteit (KHI) gevonden.

Dit betreft kleine, wervelende patronen die lijken op kleine draaikolken op het oppervlak van de zon. Onderzoekers suggereren dat KHI een belangrijke reden zou kunnen zijn waarom de buitenste atmosfeer van de zon zo heet wordt en waarom magnetische energie zich opbouwt en verplaatst op de zon. Magnetische energie voedt zonnevlammen en erupties; het type zonneactiviteit dat uitbarstingen van energie naar de aarde kan sturen en satellieten, energienetten en andere technologie kan beïnvloeden. De ontdekking opent een nieuw venster naar de fundamentele fysica van de zon en andere sterren, en onderstreept de ongeëvenaarde mogelijkheden van de Inouye Solar Telescope.

Eerste resolutiebeelden van Kelvin-Helmholtz-instabiliteit in de zonnefotosfeer

Een internationaal team van onderzoekers heeft Kelvin-Helmholtz-instabiliteit ontdekt in de vorm van kleine, wervelende patronen op het oppervlak van de zon (de fotosfeer). Het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Nature, is gebaseerd op gegevens verzameld met de NSF Daniel K. Inouye Solar Telescope op het eiland Maui, HI.

De vrijgegeven time-lapsevideo's en afbeeldingen onthullen een zonnig landschap dat voorheen nooit is gezien, waarbij overal aan de randen van magnetische gebieden kleine, dynamische wervelingen zichtbaar zijn. Dit maakte een ondubbelzinnige identificatie van KHI in de fotosfeer mogelijk, wat de eerste experimentele bevestiging is van een fenomeen dat al lang door theoretische modellen was voorspeld, maar dat alleen met de hoge ruimtelijke resolutie van de Inouye Solar Telescope zichtbaar kon worden gemaakt.

Bijschrift: Het hoogste-resolutiebeeld van het zonnoppervlak (fotosfeer) ooit vastgelegd, genomen bij 416 nm door de Inouye Solar Telescope. Het toont vervormde grenzen van magnetische elementen en ultrafijne strepen, beide geassocieerd met Kelvin-Helmholtz-instabiliteit. Credit: NSF/NSO/AURA/MPS

"We geloven dat de ontdekking van Kelvin-Helmholtz-instabiliteit in de zonnefotosfeer, ondersteund door analyse van numerieke simulaties, een belangrijke stap voorwaarts is in ons begrip van de dynamiek en evolutie van zonnen- en sterrenplasma, en zal dienen als basis voor toekomstige ontdekkingen," aldus Dr. David Boboltz, adjunct-directeur van het National Solar Observatory.

Uitleg: Kelvin-Helmholtz-instabiliteit (KHI)

KHI is een effect dat wordt veroorzaakt door vloeistofbeweging. Het treedt op wanneer twee vloeistoffen met verschillende snelheden langs elkaar glijden, waardoor er 'schering' (shear) ontstaat op de interface. Dit zorgt ervoor dat kleine verstoringen uitgroeien tot opvallende, golfachtige of spiraalvormige vortices die lijken op brekende oceaangolven.

Sinds de oorspronkelijke formulering door Lord Kelvin en Hermann von Helmholtz rond 1870 is KHI waargenomen en onderzocht in vele gebieden van de natuurkunde, waaronder:

• Vloeistofdynamica;
• Meteorologie;
• Oceanografie;
• Heliosfeerfysica;
• Astrofysica.

De instabiliteit wordt waargenomen op diverse schalen: van kleine meer- en oceaangolven (bij windige omstandigheden) en wolkenformaties op aarde, tot de atmosferen van gasreuzen zoals Jupiter en Saturnus, en de interactie van de zonnewind met planetaire magnetosferen binnen ons zonnestelsel.

Bijschrift: Een close-up beeld van de Inouye Solar Telescope dat een regio van de zonnefotosfeer belicht. De vergrote inzet onthult fijnschalige magnetische structuren en donkere striaties geassocieerd met de Kelvin-Helmholtz-instabiliteit op een schaal van tientallen kilometers. Credit: NSF/NSO/AURA/MPS

Wervelingen als motor achter explosieve zonnegebeurtenissen

De wervelende vortices van magnetisch zonneplasma zijn een onderwerp van toenemende belangstelling voor zonnepfysici. Ze zouden een effectieve bron kunnen zijn van vrije magnetische energie, die grote zonneactiviteit voedt — van kleine nano-flares tot massale vlammen, jets en coronale massa-ejecties (CME's). Deze zijn de belangrijkste veroorzakers van ruimteweer en kunnen onze moderne technologische infrastructuur ernstig verstoren, waaronder elektriciteitsnetten, satellieten, GPS-navigatie en wereldwijde communicatie.

De leidende theorie over hoe de zon magnetische energie opbouwt, wordt "flux braiding" (flux-vlechten) genoemd:

1. Magnetische veldlijnen draaien om elkaar heen — zoals het vlechten van haar — waardoor een gespannen, onstabiele situatie ontstaat.
2. Wanneer die spanning snel wordt losgelaten, "knappen" de verstrengelde magnetische lijnen, kruisen ze elkaar en verbinden ze zich in nieuwe vormen (een proces genaamd "magnetische reconnectie").
3. Deze plotselinge herschikking laat een uitbarsting van energie vrij terwijl het systeem tot rust komt in een stabielere toestand met lagere energie.

Wat wetenschappers nog niet volledig begrijpen, is wat het draaien en vlechten in eerste instantie veroorzaakt. De nieuw ontdekte kleine wervelende patronen (door de Kelvin-Helmholtz-instabiliteit) zouden hier deel van het antwoord op kunnen zijn. Omdat deze wervelingen constant en overal op het oppervlak van de zon lijken voor te komen waar een voldoende sterk magnetisch veld is, zouden ze de dagelijkse "motor" kunnen zijn die de magnetische veldlijnen blijft verdraaien en het hele proces in gang zet.

"We staan pas aan het begin van het erkennen van de verreikende impact die de ontdekking van Kelvin-Helmholtz-instabiliteit heeft op ons begrip van de connectie tussen de beweging van gemagnetiseerd plasma en het transport en de afgifte van energie naar de hogere zonneatmosfeer," zegt Dr. Friedrich Wöger, senior wetenschapper bij het National Solar Observatory.

Overeenstemming tussen waarnemingen, simulaties en theorie

In hun artikel in Nature analyseerde het team de hoge-resolutie waarnemingen van de Inouye-telescoop en vergeleek deze met computersimulaties van de zonnefotosfeer. Deze simulaties zijn gemaakt met een gespecialiseerde code (MURaM), ontwikkeld door internationale teams waaronder HAO en MPS.

De wetenschappers ontdekten tientallen vortex-achtige structuren langs de randen van magnetische gebieden, zowel in de waarnemingen als in de simulaties, met opvallend vergelijkbare kenmerken:

• De gemiddelde afstand tussen vortices (de "instabiliteitsgolflengte") lag in beide gevallen tussen de 50 en 65 km.
• De studie toont aan dat het constant borrelende oppervlak van de zon (granulatie) interacteert met magnetische structuren, waardoor lagen ontstaan die met verschillende snelheden bewegen; dit zijn de noodzakelijke condities om KHI te triggeren.

"Het is zeer spannend om te zien dat de hoogste-resolutie waarnemingen van de zonnefotosfeer een nieuw dynamisch regime hebben onthuld in de vorm van KH-vortices aan de randen van magnetische veldconcentraties," aldus Dr. Matthias Rempel, senior wetenschapper bij het High Altitude Observatory.

Bijschrift: Een zij-aan-zij vergelijking van een echte waarneming van de Inouye Solar Telescope (linksboven) en een synthetisch beeld gegenereerd door natuurkundige computersimulaties (rechtsboven). De overeenstemming bevestigt de oorsprong van de Kelvin–Helmholtz-instabiliteit. Een gesimuleerde kaart van het magnetische veld op het zonnoppervlak (rechtsonder) bevestigt dat deze processen de grenzen van de magnetische elementen fysiek buigen en vervormen. Credit: NSF/NSO/AURA/HAO

Implicaties voor de zonneatmosfeer en het raadsel van coronale verhitting

"Kelvin-Helmholtz-instabiliteit is waarschijnlijk een mechanisme dat bijdraagt aan de verhitting van de buitenste atmosfeer en maakt deel uit van de oplossing voor het langdurige enigma waarom sterren een corona hebben die miljoenen graden Kelvin heet is," stelt Dr. Thomas Rimmele, hooftechnoloog bij het National Solar Observatory.

De data tonen ook aan dat dit werveleffect (KHI) gemagnetiseerd en niet-gemagnetiseerd plasma op het zonnoppervlak efficiënt mengt, wat de verspreiding of diffusie van magnetische velden door de zonneatmosfeer versterkt. Deze diffusie is een sleutelfactor in modellen die voorspellen hoe magnetische activiteit in de loop van de tijd verandert, niet alleen voor onze zon, maar ook voor andere sterren.

Dr. David Kuridze, astronoom bij het National Solar Observatory, legt uit: "Het magnetisch veld van de zon wordt gegenereerd door dynamo-processen die werken als gigantische kosmische motoren. Omdat de zonnecyclus echter slechts 11 jaar duurt — een opvallend korte tijdschaal in kosmische termen — moet de gegenereerde magnetische flux efficiënt verdwijnen. Huidige modellen hebben moeite om deze snelle diffusie te verklaren. De door ons ontdekte Kelvin-Helmholtz-instabiliteit kan dienen als een belangrijke bron van deze ontbrekende magnetische diffusie."

Vooruitblik

Wetenschappers gaan nu over tot de volgende fase van analyse, waarbij computerprogramma's worden gebruikt die deze wervelende patronen automatisch kunnen herkennen en bestuderen. Dit onderzoek zal twee hoofddoelen dienen:

1. Inzicht krijgen in hoeveel energie deze KHI's naar de hogere atmosfeer van de zon transporteren (wat bijdraagt aan de verhitting).
2. Bepalen in welke mate ze de verspreiding van magnetische velden in de lagere delen van de zonneatmosfeer beïnvloeden.

"Om het dynamische ruimteweer dat de aarde beïnvloedt te begrijpen, moeten we de kleinschalige processen zien die dit aansturen," zegt Dr. Jacqueline Keane, NSF Program Director voor het National Solar Observatory. "Door een massieve spiegel van vier meter te combineren met geavanceerde optiek en instrumenten, levert de NSF Inouye Solar Telescope de benodigde resolutie om deze ultrafijne details voor het eerst te onthullen."

Het artikel dat dit onderzoek beschrijft, getiteld "Ubiquitous Kelvin-Helmholtz Instabilities Driving Plasma Mixing on the Sun", is nu beschikbaar in Nature.