Heliologia: El 12 d’agost del 2018 era llençada la Parker Solar Probe, sonda que té com a objectiu acostar-se al Sol fins a una distància de menys de 10 radis solars (uns 6,9 milions de quilòmetres; recordem que nosaltres som a 150 milions de quilòmetres del Sol) en el 2025. La nau, disseny i construcció de la John Hopkins University Applied Physics Laboratory per a la NASA, honora en el seu nom Eugene Newman Parker (*Houghton, Michigan, 10.6.1927), astrofísic solar reconegut per més de tres dècades d’aportacions al coneixement del vent solar. A hores d’ara, la Parker ha realitzat tres perihelis a menys de 30 de milions de quilòmetres. La revista Nature publica aquesta setmana quatre recerques que gairebé inauguren la literatura científica deguda a aquesta sonda solar. Les dades recollides a aquestes distàncies mostren l’existència d’espigues o pics de vent solar. També han permès una estimació més acurada de la velocitat de rotació del vent solar, més elevada que no pas prediuen els models actuals.
El vent solar lent i altament estructurat que emergeix d’un forat coronal equatorial
El professor d’astrofísica Stuart D. Bale és el redactor i primer autor d’un article sobre l’estructura del vent solar observada per la Parker. Com podem comprovar a SpaceWeather es trobem actualment en una part del cicle solar on les taques solars són força rares. Aquesta etapa és l’anomenat “mínim solar”, que es repeteix amb un periodicitat aproximada d’11 anys. Si en el 2015, no hi hagué ni un sol dia que no s’observés una taca en el disc solar, en el 2019, la major dels dies (un 76%) han estat “sense taques solars”. Durant el mínim solar, hom parla d’un Sol menys actiu o més tranquil. En aquest període del cicle, el vent solar, si més no l’observat a altes latituds solars, consisteix predominantment en un corrent de plasma d’alta velocitat (superior a 500 km·s-1), amb fortes oscil·lacions iòniques (fortes ones alfvéniques). Aquests corrents s’originen de les profunditats de forats coronals. Els forats coronals són àrees de la corona del Sol que presenten temperatures inferiors a la mitjana i, per tant, són zones més fosques. En els forats coronals la densitat de plasma és inferior a la mitjana, tant pel que fet que la densitat material és inferior com pel fet que els nivells energètics també ho són.
En latituds més centrals del Sol, l’origen del vent solar és més heterogeni, i té més rellevància el component lent (amb velocitats inferiors a 500 km·s-1. L’origen d’aquest vent solar lent és menys clar, i hi ha diverses teories. Unes assenyalen les puntes dels plomalls coronals que són les àrees de la corona més actives i brillants. D’altres creuen que s’originen en les zones que limiten els forats coronals, i d’altres encara pensen en els forats coronals que presenten camps magnètics d’alta divergència.
També és matèria de debat els mecanismes que generen la calor suficient per produir el vent solar. S’hi han postulat la turbulència d’ones d’Alfvén, les reconnexions de nanoflamarades, les ones de ciclotrons iònics i l’acceleració provocada per gradients termals.
L’òrbita de la Terra es troba a 215 radis solars, i des d’aquesta distància, el vent solar ha patit tota una sèrie de processos de barreja i de transformació que fa difícil de reconstruir els processos que l’originen. La sonda Parker en les seves tres òrbites heliocèntriques, s’ha endinsat fins a 36 i 54 radis solars en els seus perihelis. Encara que aquesta distància també ha estat assolida per algunes altres sondes (començant per l’Helios-A a mitjan dels anys 1970), la Parker disposa d’un instrumental únic. Bale et al. dedueixen de les observacions de la Parker que un component de vent solar de velocitat alvénica lenta s’origina a partir d’un petit forat coronal equatorial. El camp magnètic gairebé radial associat amb aquest vent solar mostra clapes de reversions grans i intermitents associades amb jets de plasma i fluxos de Poynting. Les mesures de les ones de plasma indicarien una microinestabilitat en la distribució espacial de la velocitat d’electrons i d’ions, atribuïbles als processos d’escalfament del plasma. Així doncs, els forats coronals de latituds baixes podrien ésser la font del component lent del vent solar a través d’aquestes micro-inestabilitats.
La Parker també tindrà l’oportunitat de fer mesures semblants en els anys del cicle solar de major activitat. Això ajudarà a corroborar o descartar aquesta hipòtesi.
Electrons i pols de la corona solar
Russell A. Howard és l’autor corresponsal d’un article sobre observacions de la corona solar per la sonda Parker. La sonda Parker és la primera en oferir observacions sobre com el component electrònic de la corona solar (corona K) i el component de pols de la corona (corona F o llum zodiacal) interfereix amb la llum solar procedent de la fotosfera. Fins ara aquestes observacions s’havien realitzat des de la Terra, en ocasió d’eclipsis solars totals (a una distància, és clar, d’1 unitat astronòmica) o bé des de sondes que mai no havien arribat tan a prop del Sol com la Parker. En aquestes observacions prèvies no hi havia indicis a favor de la idea teòrica que la pols interestel·lar és exclosa de les regions més properes al Sol. Tampoc aquestes observacions no havien esclarit alguns aspectes fonamentals sobre la corona solar: com s’inicia i com s’hi produeixen partícules energètiques.
En els seus dos primers perihelis, la sonda Parker arribà a situar-se a la zona de 0,16-0,25 unitats astronòmiques de distància al Sol durant períodes que duraren cadascú uns deu dies. Les imatges de la corona solar que s’han obtingut no difereixen gaire de la imatge que es pot aconseguir a la Terra durant un eclipsi solar.
L’11 d’agost del 1999, Luc Viatour prenia aquesta imatge en ocasió d’un eclipsi solar total
En les imatges de la Parker, però, en les elongacions més breus, és a dir a menor distància angular del disc solar, la intensitat de la corona F decau. Aquesta és la primera prova de l’existència d’una zona d’exclusió de pols interestel·lar al volant del Sol.
En les imatges de la Parker també és possible elucidar l’estructura d’algunes erupcions molt petites, que són les ejeccions més freqüents del Sol. Algunes d’aquestes erupcions prenen la forma de cordes de flux magnètic, estructures que ja s’havien observat prèviament. D’altres prenen la forma d’illes magnètiques. Les illes magnètiques havien estat teoritzades, però és la primera vegada que s’observen.
Les imatges de la corona solar obtingudes per la Parker també permeten confirmar la topologia a gran escala i l’evolució dels plomalls coronals. A petita escala, els plomalls coronals són integrats per subplomalls que vehicularien fluctuacions continuades de densitat.
Els fluxos rotacionals del vent solar
Justin C. Kasper és l’investigador principal de “Solar Wind Electrons Alphas and Protons” (SWEAP) i l’autor corresponsal del tercer article. SWEAP vol estimar la velocitat, densitat i temperatura dels electrons, protons i nuclis d’heli-4 del vent solar a partir de les dades de la sonda Parker.
Fou Parker, el Parker de carn i pell, el primer a predir l’existència de vent solar de velocitats supersòniques en el 1958. Les primeres cosmonaus soviètiques confirmaren l’existència d’aquest vent solar supersònic en el 1960. Les missions Helios arribaren a estudiar el vent solar a distàncies de 62 radis solars, i determinaren que el plasma que integra aquest vent solar s’accelera tan bon punt emergeix de la corona.
Encara que no se sap quins processos energètics alimenten exactament l’acceleració de les partícules del vent solar. Hannes Alfvén (1908-1995) havia proposat en el 1942 un mecanisme basat en ones electromagnètiques-hidrodinàmiques. Les fluctuacions alfvéniques han estat observades en la corona solar i en el vent solar i contenen una energia suficient per ésser responsables d’aquest procés. El Sol segueix un període de rotació diferencial de 24,47 dies en l’equador i de 38 dies en els pols. La tensió magnètica arrossega la corona solar en aquesta rotació… però com més hom s’allunya del Sol la velocitat de rotació decau i finalment queda superada per l’amplitud de les ones i defleccions dels corrents que interactuen en el vent solar.
La sonda Parker ha observat plasma de vent solar a una distància de 35 radis solars. En aquesta distància, les interaccions entre corrents ja han esdevingut prou importants. La Parker ha detectat com les ones d’Alfvén s’organitzen en pics estructurats de velocitat que poden durar uns minuts, i que s’associen a vinclaments en forma de S que es propaguen en les línies de camp magnètic. Les dades indiquen la presència d’un component rotacional en la velocitat de flux del vent solar que arribaria a uns valors de 35-50 km·s-1. Són velocitats molt per damunt de l’amplitud de les ones, i que no encaixen amb els valors predits pels models habituals (que serien d’un ordre de magnitud inferior). Kasper et al. consideren que caldrà revisar els models actuals de circulació de la corona solar i, de manera més general, els models sobre la relació entre velocitat de rotació i edat estel·lar.
L’acceleració de les partícules energètiques solars
David J McComas és l’investigador principal del projecte IS☉IS i autor corresponsal del quart article. Fins ara, la major part d’estudis sobre vent solar s’havien realitzat a una distància de 150 milions de quilòmetres. Aquests estudis indiquen que les partícules energètiques d’origen solar pateixen una acceleració que les porta d’uns pocs keV a valors energètics quasi-relativístics. Aquesta acceleració es deguda, d’una banda, a esdeveniments d’impuls, associats amb la reconnexió magnètica de flamarades solars, i que “impulsen” sobretot electrons, nuclis d’heli-3 i també ions més pesants. D’altra banda també hi hauria esdeveniments graduals, associats als xocs i compressions de grans ejeccions de massa coronal, i que accelerarien protons a energies de 1-10 MeV. Ara bé, si aquests dos processos foren els únics, hom esperaria una distribució bimodal en la ratio electró:protó del vent solar, i això no s’ha observat. És possible que la bimodalitat no s’hagi observat per la interferència d’efectes de transport al llarg de 150 milions de quilòmetres.
En els seus dos primers perihelis la sonda Parker arriba a situar-se a 24 milions de quilòmetres del Sol, minimitzant doncs la interferència associada a transports més llargs de les partícules de vent solar. McComas et al. troben a aquesta distància una varietat d’esdeveniments de partícules energètiques: acceleracions locals o remotes (com ara degudes a les regions d’interaccions que segueixen la rotació solar), esdeveniments impulsius originats en la proximitat del Sol i, si més no, un esdeveniment relacionat amb una ejecció massiva coronal. D’aquesta manera, hom adquireix observacions directes de l’ambient de radiació de partícules energètiques en la regió directament en contacte amb la corona solar.
Lligams:
– Highly structured slow solar wind emerging from an equatorial coronal hole. S. D. Bale, S. T. Badman, J. W. Bonnell, T. A. Bowen, D. Burgess, A. W. Case, C. A. Cattell, B. D. G. Chandran, C. C. Chaston, C. H. K. Chen, J. F. Drake, T. Dudok de Wit, J. P. Eastwood, R. E. Ergun, W. M. Farrell, C. Fong, K. Goetz, M. Goldstein, K. A. Goodrich, P. R. Harvey, T. S. Horbury, G. G. Howes, J. C. Kasper, P. J. Kellogg, J. A. Klimchuk, K. E. Korreck, V. V. Krasnoselskikh, S. Krucker, R. Laker, D. E. Larson, R. J. MacDowall, M. Maksimovic, D. M. Malaspina, J. Martinez-Oliveros, D. J. McComas, N. Meyer-Vernet, M. Moncuquet, F. S. Mozer, T. D. Phan, M. Pulupa, N. E. Raouafi, C. Salem, D. Stansby, M. Stevens, A. Szabo, M. Velli, T. Woolley & J. R. Wygant. Nature (2019).
– Near-Sun observations of an F-corona decrease and K-corona fine structure. R. A. Howard, A. Vourlidas, V. Bothmer, R. C. Colaninno, C. E. DeForest, B. Gallagher, J. R. Hall, P. Hess, A. K. Higginson, C. M. Korendyke, A. Kouloumvakos, P. L. Lamy, P. C. Liewer, J. Linker, M. Linton, P. Penteado, S. P. Plunkett, N. Poirier, N. E. Raouafi, N. Rich, P. Rochus, A. P. Rouillard, D. G. Socker, G. Stenborg, A. F. Thernisien & N. M. Viall. Nature (2019).
– Alfvénic velocity spikes and rotational flows in the near-Sun solar wind. J. C. Kasper, S. D. Bale, J. W. Belcher, M. Berthomier, A. W. Case, B. D. G. Chandran, D. W. Curtis, D. Gallagher, S. P. Gary, L. Golub, J. S. Halekas, G. C. Ho, T. S. Horbury, Q. Hu, J. Huang, K. G. Klein, K. E. Korreck, D. E. Larson, R. Livi, B. Maruca, B. Lavraud, P. Louarn, M. Maksimovic, M. Martinovic, D. McGinnis, N. V. Pogorelov, J. D. Richardson, R. M. Skoug, J. T. Steinberg, M. L. Stevens, A. Szabo, M. Velli, P. L. Whittlesey, K. H. Wright, G. P. Zank, R. J. MacDowall, D. J. McComas, R. L. McNutt Jr, M. Pulupa, N. E. Raouafi & N. A. Schwadron. Nature (2019).
– Probing the energetic particle environment near the Sun. D. J. McComas, E. R. Christian, C. M. S. Cohen, A. C. Cummings, A. J. Davis, M. I. Desai, J. Giacalone, M. E. Hill, C. J. Joyce, S. M. Krimigis, A. W. Labrador, R. A. Leske, O. Malandraki, W. H. Matthaeus, R. L. McNutt Jr, R. A. Mewaldt, D. G. Mitchell, A. Posner, J. S. Rankin, E. C. Roelof, N. A. Schwadron, E. C. Stone, J. R. Szalay, M. E. Wiedenbeck, S. D. Bale, J. C. Kasper, A. W. Case, K. E. Korreck, R. J. MacDowall, M. Pulupa, M. L. Stevens & A. P. Rouillard. Nature (2019).
Sun-bombing spacecraft uncovers secrets of the solar wind. Alexandra Witze. Nature 576 15-16 (2019).
NASA’s Parker Solar Probe Sheds New Light on the Sun, comunicat de premsa de la NASA.
