Satellitter i parløb løser Solens sidste gåder

Flere milliarder tons glohed gas slynges ud af Solen med kurs mod Jordens kredsløb.

Gasboblen er større end 30 jordkloder og fuld af elektrisk ladede partikler, der på et øjeblik kan sende satellitter på slingrekurs og smadre Jordens elnet.

Soludbruddet 23. juli 2012 var det kraftigste i 150 år, men strøg heldigvis tæt forbi Jorden. Hvis gasserne var blevet skudt afsted bare en uge tidligere, var Jorden blevet ramt.

Skaderne kunne have været katastrofale og ville ifølge forskere i værste fald tage mellem fire og ti år at rette op på.

Siden da har Solens naturlige aktivitet været nedadgående, og de gigantiske soludbrud har dermed været få og mindre kraftfulde. Men fra 2020 stiger aktiviteten igen og bringer Jorden i farezonen.

Derfor opsender den europæiske rumfartsorganisation, ESA, i februar solsatellitten Solar Orbiter for at nærstudere udbrud fra start til slut.

ESA håber, at Orbiter i samarbejde med andre satellitter og teleskoper kan bane vejen for et alarmsystem, der varsler om Solens farlige frontalangreb i tide.

Tæt kredsløb hiver Orbiter op i fart

Efter opsendelsen fra den amerikanske base Cape Canaveral drager Solar Orbiter på en to år lang rejse, som via to svingture omkring Venus og Jorden bringer satellitten tættere og tættere på Solen.

Orbiters mission er at forklare, hvordan magnetfelter og partikler påvirker Solens atmosfære, koronaen.

Derigennem vil astronomer bedre kunne forstå hele heliosfæren – Solens beskyttende boble af partikler, der omslutter Solsystemet.

Mange af Solens processer er skjult for vores synsfelt, fordi Solen roterer om sig selv, og store dele af overfladen derfor peger i den modsatte retning.

Solar Orbiter kan som den første satellit nogensinde svæve som en helikopter over det samme punkt på Solens overflade gennem en uge ad gangen.

Evnen opnår Orbiter, fordi det nærmeste kredsløb i satellittens aflange bane ligger 42 millioner kilometer fra stjerne, tættere på end Merkur. Her trækker Solens tyngdefelt Orbiter op til 7200 km/t, hvilket svarer til Solens egen rotationshastighed.

Den enestående evne giver mulighed for at følge hele forløbet af de største soludbrud – såkaldte koronale masseudkastninger – hvor Solen slynger gasser fuld af elektrisk ladede partikler ud i rummet.

Optagelserne skal bekræfte, om de hidtidige teorier og computermodeller holder, og slå fast, præcis hvordan og hvorfor udbruddene opstår.

Pletter røber sæson for soludbrud

Solen udsender selv en synlig advarsel om kommende soludbrud i form af solpletter.

Over en cyklus på ca. 11 år dækker pletterne Solen som mørke prikker på størrelse med Jorden eller enorme plamager, der breder sig over store dele af overfladen.

Siden astronomer begyndte at tælle solpletterne i midten af 1700-tallet, har Solen været igennem 24 cyklusser, og den næste kulminerer senest i 2026.

Ved et maksimum stiger antallet af soludbrud fra ca. ét hver femte dag til tre om dagen og mangedobler dermed Jordens risiko for at blive ramt.

Pletterne opstår i områder, hvor Solens magnetfelt er særlig stærkt. Her bliver magnetfeltets virvar af linjer viklet sammen og danner buer, der bryder gennem overfladen og rager op i Solens atmosfære, koronaen.

I de punkter, hvor buernes ben stikker ned i stjernen, falder temperaturen fra 5778 til ca. 4000-4500 kelvin og danner solpletter.

I buerne opstår de fleste soludbrud, og derfor er et af Solar Orbiters hovedformål at undersøge, præcis hvordan magnetfelterne over tid danner løkkerne.

Bristede buer skyder masse ud

Solens magnetfelter opstår, fordi alt stof i stjernen er plasma – en energirig gas, hvor atomerne er adskilt i positivt ladede atomkerner og negativt ladede elektroner.

Når varmt plasma i de yderste 182.000 kilometer af Solen stiger op mod overfladen, mens køligere plasma synker ned, skaber bevægelser mellem de elektrisk ladede partikler de magnetfelter, som stikker op fra koronaen.

I koronaen forvrider turbulens i Solens overflade de lange buer, så feltlinjerne bris­ter og genforenes, hvilket udløser en bestemt type soludbrud kaldet solfakler.

De er gigantiske lysglimt, der kan vare i timevis og udløse en energi, som svarer til eksplosionen fra 160 milliarder tons sprængstof.

Når feltlinjerne knækker, kan de ikke længere holde på Solens plasma, der ligger buret inde af buerne.

Derfor begynder en anden type soludbrud – den koronale masseudkastning – hvor plasmaet blæser ud af koronaen med 20-3000 km/s.

Nogle gange bliver solfaklerne imidlertid ikke efterfulgt af gigantiske soludbrud, og astrofysikerne ved ikke hvorfor.

Derfor skal Solar Orbiter måle både de langvarige og de pludselige ændringer i Solens magnetfelt for at forstå de specifikke processer bag de forskellige soludbrud til bunds.

Storm vil lægge samfundet ned

Den største kendte masseudkastning ramte Jorden i 1859 og udløste en såkaldt geomagnetisk storm. De mest omfattende skader ramte telegraflinjerne, der blev sat ud af drift i en periode.

To tredjedele af kloden oplevede stormen som nordlys, der oplyste himlen så langt sydpå som Cuba og Hawaii. Uden et varslingssystem kan et soludbrud i nutidens højteknologiske samfund blive langt mere katastrofalt end dengang.

Omfanget af skaderne afhænger af, hvilken orientering feltlinjerne i soludbruddet har.

Hvis de ligger parallelt med linjerne i Jordens magnetskjold, bliver partiklerne dirigeret uden om kloden – hvis ikke, skærer plasmaet gennem skjoldet og sender tonsvis af ladede partikler ind i atmosfæren.

Udbruddet påvirker elektrisk ledende materialer på Jorden på samme måde som et induktionskomfur.

Når et stort antal elektrisk ladede partikler trænger ind i atmosfæren, opstår der elektromagnetiske felter, der kan fremkalde – eller inducere – strømme i fx elkabler.

Strømmene kan overbelaste satellitter, transformatorer og elartikler koblet til et stik, der derfor kan brænde sammen. Hvis satellitter fx tilter, bliver de midlertidigt ubrugelige, og store dele af verdens telenetværk kan derfor blive lagt ned.

Konsekvenserne af et strømnedbrud er endnu mere vidtrækkende: Klodens vandforsyning og fødevareproduktion er fx dybt afhængige af strøm til eldrevne pumper og kølesystemer.

Før elforsyningen er genetableret i fuldt omfang, kan der gå måneder, og i mellemtiden vil samfundet være lammet.

Solar Orbiter er derfor helt central for, at vi kan skabe et alarmsystem, der fanger spirende soludbrud, men samtidig kun slår alarm, når der reelt er fare på færde.

Ny viden skal sikre effektiv alarm

Nutidens vagthund er NASA’s Solar and Heliospheric Observatory, SOHO, der befinder sig 1,5 millioner kilometer fra Jorden i sigtelinjen mod Solen.

Herfra ser satellitten masseudkastninger med kurs mod Jorden og slår alarm, senest 15 timer før boblen rammer. Der er imidlertid brug for to-tre døgn til at sikre de vitale dele af elnettet.

Solar Orbiter kommer kun tæt på Solen hver femte måned og kan derfor ikke bruges som en konstant vagtpost.

I Orbiters kølvand arbejder ESA på Lagrangemissionen, en varslingssatellit, der i 2023 skal sendes op til et punkt i rummet, hvor den kan se Solen fra siden.

Derfra vil satellitten kunne overvåge områder, som først vender mod Jorden flere dage senere, og kan derfor give besked i god tid, før et soludbrud er på vej.

Jo mere viden forskerne opnår om omstruktureringerne af magnetfelterne i Solens overflade, jo tidligere og mere pålidelige varsler vil satellitten kunne give.

Solar Orbiters opsendelse markerer derfor første skridt mod en langt sikrere Jord frem mod Solens næste udbrudssæson.

Spændingen fyldte NASA’s kontrolrum 7. november 2018, da Parker Solar-sonden skulle sende et livstegn efter sit første kredsløb om Solen.

Turen bragte satellitten tættere på stjernen end noget andet menneskeskabt objekt, men da et “A” tonede frem på skærmen i Johns Hopkins Applied Physics Lab i Maryland, ramte lettelsen.

A-statussignalet betød, at Parker havde overlevet mødet uskadt, og at alle instrumenter virkede og opsamlede data.

Siden har Parker Solar Probe gennemført yderligere to kredsløb og sendt sin første datapakke til Jorden.

Hver rundtur trækker sonden tættere og tættere på stjernen frem til det 24. kredsløb 24. december 2024, hvor Parker passerer Solen i en afstand på bare 6,2 millioner kilometer.

Fra positionen vil sonden kunne se, mærke og måle Solens uforklarligt varme atmosfære, koronaen, og hvordan solvindens partikler pludselig accelererer.

I ryggen har Parker en hær af fartøjer og teleskoper, der skal hjælpe med at opklare Solens sidste store gåder.

Datapakke var større end ventet

Den hidtidige rekord for at kredse tæt om Solen satte sonden Helios-B, da den i 1976 passerede i 44 millioner kilometers afstand.

Parker skal syv gange tættere på, og de første kredsløb 24 millioner kilometer fra stjernen har allerede slået rekorden. Parker nærmer sig gradvist, fordi syv af sondens kredsløb går tæt forbi Venus, hvis tyngdefelt sænker satellittens fart.

Derfor bliver banen i de efterfølgende kredsløb mindre. Solens tyngdefelt accelererer til gengæld satellitten op i førerposition som Solsystemets hurtigste fartøj med en topfart på 692.000 km/t.

Satellittens 11,5 centimeter tykke varmeskjold af kulstof bliver varmet op til 1377 grader, fordi sollyset tæt på stjernen er 475 gange kraftigere end på Jorden.

Skjoldet sikrer, at sondens instrumenter holdes nedkølet til omkring 30 grader. De første kredsløb viste, at alle satellittens instrumenter trods den intense hede fungerer perfekt.

Men Parkers første datapakke var mere end blot en test. Sonden overførte 22 GB data til Jorden, hvilket var over 50 procent mere, end forskerne havde regnet med.

Forude venter omfattende analyser, som kan nå at kaste epokegørende forskningsresultater af sig, længe inden missionen kulminerer.

Instrumentet Solar Probe Cup har særlig stor betydning, da det stikker ud fra sondens skjold. Herfra kan det pansrede instrument måle direkte på partikler i selve koronaen, hvor ingen satellit før har været.

Sonde dykker ned i solvinden

En konstant strøm af ladede partikler, primært protoner og elektroner, strømmer ud fra den ydre del af koronaen og hele vejen ud gennem Solsystemet.

Hvert sekund afsendes der mellem 1,3 og 1,9 millioner tons partikler, som tilsammen udgør fænomenet solvind.

Jordens magnetskjold sender det meste af solvinden uden om kloden, men de ladede partikler kan af og til opleves som nordlys.

Men på lange rumrejser kan stråling fra partiklerne give astronauter kræft, og bl.a. derfor vil astronomer gerne forstå solvinden til bunds, så de kan beskytte missioner til Månen og Mars bedst muligt.

Solvinden findes i to forskellige udgaver.

Den hurtige solvind med hastigheder på 750 km/s udsendes langs med polerne. Den langsomme solvind udsendes fra resten af koronaen med 400-500 km/s, og den kan astronomerne endnu ikke forklare.

I den nedre del af koronaen fastholdes de ladede partikler af buede magnetfelter, der stikker op fra soloverfladen, men et ukendt fænomen i den yderste del af koronaen accelererer partiklerne op til så høje hastigheder, at hverken magnetfelter eller Solens tyngdekraft kan fastholde dem.

I de tidlige kredsløb befinder satellitten sig uden for området, hvor accelerationen sker, og måler på elektroner og protoner, der netop er blevet skudt ud i rummet.

I de sene kredsløb kommer sonden under grænsen og kan måle direkte på processen, som tvinger partiklerne op i fart. Det kan løse gåden.

To fænomener varmer koronaen

En mulig forklaring på partiklernes flugt kan dukke op, hvis Parker opklarer én af Solens andre store gåder: Hvorfor den omgivende korona er 200-500 gange varmere end Solens overflade.

Gassen i den ydre atmosfære er en-to millioner grader varm, mens stjernens overflade kun er 5500 grader. Det svarer til, at temperaturen stiger, efterhånden som du bevæger dig væk fra et bål.

En del af forklaringen er nogle kraftige magnetfelter i Solens overflade, som astrofysikere formoder opvarmer partiklerne i koronaen, men de ved endnu ikke præcis hvordan.

Store soludbrud medvirker også til opvarmningen, men de indtræffer alt for sjældent til at opvarme hele koronaen.

Derfor skal Parker specifikt undersøge mekanismer, som er under mistanke for at bidrage til opvarmningen.

Den ene er små solfakler, kaldet nanofakler, som udløses, når magnetfeltets buer i Solens atmosfære brister og bliver genforenet i en mere stabil struktur – ligesom store solfakler.

Nanofaklerne frigiver under en milliardtedel af en stor solfakkels varme, men hvis der hvert sekund opstår en million nanofakler, kan de sammen skabe koronaens høje temperatur.

Den anden mekanisme er magnetiske bølger, som udspringer dybt inde i Solen og spurter op gennem koronaen, hvor de får magnetiske feltlinjer til at vibrere.

Svingningerne får ladede partikler i koronaen til at danne spiraler rundt om linjerne, og det accelererer partiklerne op i høje hastigheder og dermed temperaturer.

Hvis magnetiske bølger er forklaringen, kan Parkers magnetiske instrumenter opfange de svingninger, som bølgerne skaber.

Hvis nanofakler opvarmer koronaen, kan Parker tælle de kortslutninger i feltlinjerne, der udløser dem.

Observationerne kan vise, om koronaen opvarmes af én eller begge de to mekanismer – og hvilken rolle opvarmningen spiller for solvinden.

Trios samspil giver fuldt overblik

Parker får selskab, når den europæiske satellit Solar Orbiter i 2023 går i kredsløb mellem 42 og 135 millioner kilometer fra Solen.

De to sonder vil udgøre de yderste forposter i et stort samspil mellem satellitter og teleskoper på landjorden, der giver astrofysikere helt nye muligheder.

Parker kan fx måle partikler, når de slynges ud i rummet, mens Solar Orbiter gentager målingerne længere ude.

Observationer i forskellige afstande kan måske danne overblik over, hvorfor partiklerne ikke taber energi, men når Jorden med næsten samme hastighed og temperatur, som da de forlod koronaen.

Endelig får de to satellitter snart hjælp fra verdens største solteleskop, Daniel K. Inouye-teleskopet på Hawaii, som indleder observationerne i juni.

Teleskopet skal to gange i minuttet fotografere Solen og kan se detaljer i overfladen på 70x70 kilometer. Samarbejdet kan give det overblik, der endelig afslører Solens sidste hemmeligheder.