Boven de zuidpool van de zon

Naast de langzame zonnewind blijkt er een snelle zonnewind te zijn. Het is een grootschalig plasma met een complexe structuur. De ruimtesonde Ulysses bevindt zich er nu midden in.

De Europese ruimtesonde Ulysses bevindt zich nu, na een tocht van vier jaar, boven de zuidpool van de zon. Het is voor het eerst dat dit gebied direct kan worden waargenomen. Vanaf de aarde kijken we steeds 'van opzij' tegen de zon aan en ook ruimtesondes hebben de zon nooit 'van boven' gezien. Ter gelegenheid van deze historische en voor zonnefysici belangrijke gebeurtenis wordt op het Europese ruimtevaartcentrum Estec In Noordwijk een workshop gehouden, waarop de meest recente waarnemingsresultaten worden besproken.

Ulysses is een gemeenschappelijk project van het Europese ruimte-agentschap Esa en de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie Nasa. De ruimtesonde werd gebouwd door Europese bedrijven, maar van de negen wetenschappelijke instrumenten is de helft van Amerikaanse makelij. De Nasa leverde ook de energiebron (een generator die werkt op het radioactief verval van plutoniun), deed de lancering en verzorgt het contact via de radioschotels van haar Deep Space Network.

Net zoals de poolstreken de laatste gebieden op aarde waren waarin de mens is doorgedrongen, zo zijn de poolgebieden van de zon de laatste die door een ruimtesonde worden bestudeerd. Dat ligt niet aan het barre klimaat, maar aan de energie die nodig is om daar te komen. Geen enkele raket is krachtig genoeg om een ruimtesonde vanaf de aarde rechtstreeks in een baan over de polen van de zon te brengen.

Ulysses heeft een flinke omweg gemaakt. De sonde werd op 6 oktober 1990 gelanceerd en vloog eerst naar Jupiter, waar hij in februari 1992 aankwam. In het gravitatieveld van deze planeet werd de ruimtesonde versneld en zodanig rond Jupiter 'geslingerd' dat het baanvlak bijna loodrecht op de aardbaan kwam te staan. Met een topsnelheid van 126 km/s was Ulysses toen het snelste door de mens gemaakt voertuig.

Na de Jupiterpassage bewoog Ulysses weer in de richting van de zon en verwijderde hij zich snel van het baanvlak van de aarde. Op 9 juni vorig jaar passeerde hij de 32ß8 breedtegraad van de zon en brak het toenmalige record van de Voyager 1. Op 26 juni dit jaar passeerde Ulysses de 70ß8 breedtegraad en begon officieel de zuidpoolpassage. Deze bereikte zijn hoogtepunt op 13 september, toen Ulysses boven 80,2ß8 zuiderbreedte stond: het meest zuidelijke punt dat hij kan bereiken.

Ulysses komt niet dicht bij de zon. Tijdens het begin van de zuidpoolpassage stond hij op 430.000 km van de zon: bijna driemaal zo ver als de aarde. Op 13 september was de afstand geslonken tot 350.000 miljoen km en op 5 november, als de zuidpoolpassage eindigt, is hij afgenomen tot 190 miljoen km. Tijdens de dichtste nadering, in februari 1995, als Ulysses het vlak van de aardbaan kruist, staat Ulysses altijd nog op 210 miljoen km van de zon.

De grote afstand is echter geen probleem, omdat Ulysses juist de taak heeft om het gebied op grote afstand rondom de zon te bestuderen. In dit gebied bevinden zich elektrisch geladen deeltjes die in alle richting van de zon vandaan bewegen. Deze zonnewind is afkomstig uit de uitgestrekte, ijle atmosfeer rond de zon: de corona. De zonnewind waait door het gehele zonnestelsel, vervormt het magnetische veld van de planeten en houdt de staart van kometen van de zon af gekeerd. Het gebied waarin deze wind zich doet gelden noemt men de heliosfeer.

'Het onderzoek van Ulysses richt zich vooral op deze zonnewind en alles wat zich daarin afspeelt', zegt wetenschappelijk projectleider Richard Marsden. 'Het is minder spectaculair dan bijvoorbeeld een komeetinslag op Jupiter, waarmee gemakkelijk de aandacht van het grote publiek wordt getrokken. Maar uiteindelijk zit de wetenschappelijke waarde niet in mooie beelden, maar in de details die uit waarnemingen worden gehaald'. De zonnewind verbergt een schat aan informatie over de fysica van de zon als geheel.

De zonnewind is het prototype van een grootschalig, kosmisch plasma, zoals dat voorkomt rond vrijwel alle sterren. Maar het plasma van de zon is het enige waar ter plekke met behulp van ruimtesondes aan kan worden gemeten. Tot voor kort kon dat alleen rond het vlak van de evenaar van de zon. Het ruimtelijke beeld van de zonnewind was noodgedwongen gebaseerd op indirecte waarnemingen en extrapolaties.

De zonnewind wordt beïnvloed door het magnetische veld van de zon. Door de aswenteling (27 dagen) heeft dit veld in de buurt van de evenaar van de zon een zeer gecompliceerde, verwrongen structuur, wat ook doorwerkt in de zonnewind. Aan de polen, waar het effect van de rotatie minimaal is, lopen de magnetische veldlijnen vrij ongestoord naar de ruimte en is de zonnewind homogener. 'Boven de polen vertoont de zonnewind zich in zijn meest elementaire staat', aldus Marsden.

Het plan voor een vlucht over de polen van de zon werd al in 1959 voorgesteld door de Amerikaanse astrofysicus John A. Simpson. Aanvankelijk dacht men aan twee ruimtesondes, een Amerikaanse en een Europese, die gelijktijdig over de noord- en de zuidpool van de zon zouden vliegen. Dit project heette eerst Out of Ecliptic en vervolgens International Solar Polar Mission.

Door bezuinigingen kwam de Amerikaanse sonde te vervallen, waarna Esa het project in 1984 omdoopte tot Ulysses. De ramp met de space shuttle Challenger in 1986 leidde tot uitstel van de lancering tot 1990. Simpson is nu leider van het experiment dat kosmische straling meet. Ondanks alle vertragingen blijft Ulysses voor hem 'een uniek project'.

Tijdens de twee miljard kilometer lange (om)weg naar de zon heeft Ulysses constant metingen verricht: aan de geladen deeltjes, magnetische velden en radio- en röntgenstraling van de zon en aan de eigenschappen van de geladen deeltjes en stofjes die afkomstig zijn van buiten het zonnestelsel. In de afgelopen vier jaar is al 10 gigabyte aan informatie ontvangen: het equivalent van 100 magneetbanden.

Tijdens zijn scheervlucht langs Jupiter deed Ulysses metingen aan het zeer verwrongen magnetische veld van deze sneldraaiende reuzenplaneet. Deze lieten onder andere zien dat de stralingsgordels rond Jupiter veel sterker zijn geconcentreerd naar het vlak van de evenaar dan bij de aardse Van Allengordels het geval is.

In de buurt van Jupiter detecteerde Ulysses ook voor het eerst stofjes, ionen en heliumatomen die afkomstig zijn uit de interstellaire ruimte. Deze deeltjes dringen ongehinderd de invloedssfeer van de zon binnen. Volgens de metingen van Ulysses bedraagt de snelheid van deze interstellaire wind 26 km/s. In feite is dit de snelheid waarmee het gehele zonnestelsel door de interstellaire ruimte beweegt.

In het evenaarvlak van de zon meet een ruimtesonde altijd een periodieke omkering van de polariteit (richting) van het magnetische veld. Dit komt doordat het grensvlak tussen het noordelijke en zuidelijke magnetische veld van de zon een zeer ingewikkelde vorm heeft, vergelijkbaar met het oppervlak van een ballerinarokje. Door de aswenteling van de zon is een ruimtesonde afwisselend boven en onder de 'plooien' en meet hij afwisselend een positieve en negatieve polariteit. Sinds mei vorig jaar, toen Ulysses op 30ß8 zuiderbreedte was aangeland, bevindt Ulysses zich onder alle magnetische plooien en neemt hij slechts één pool waar: de magnetische zuidpool.

Een tweede aanwijzing dat Ulysses tijdens het klimmen naar hogere breedten ook in een andere omgeving kwam, was afkomstig van de zonnewind. Het was bekend dat er twee soorten zonnewind bestaan: een langzame die met een snelheid van 400 km/s waait en een snelle die tweemaal zo hard waait. Deze laatste komt uit gebieden in de corona die een geringere dichtheid hebben dan hun omgeving en zich op röntgenopnamen manifesteren als donkere plekken: coronale gaten.

Sinds het midden van 1992 begon Ulysses steeds vaker een snellere zonnewind te meten en na september 1993, toen hij de 40e breedtegraad passeerde, bevond hij zich vrijwel permanent in deze snelle wind. Marsden: 'Het was bekend dat zich boven de polen van de zon grote coronale gaten bevinden wanneer de zonneactiviteit een minimum bereikt, zoals nu het geval is. Dit betekent dus dat Ulysses zich sinds een jaar in het zuidelijke coronale gat bevindt'.

Hoewel zo'n verandering werd verwacht, zit in deze constante snelle zonnewind toch een verrassing. 'Men had altijd aangenomen dat de zonnewind die we al sinds lang in het vlak van de aardbaan meten, de normale zonnewind was en dat de vlagen snelle zonnewind die af en toe werden gemeten een uitzondering waren', zegt Marsden. 'Nu blijkt echter dat het omgekeerde het geval is. De snelle zonnewind wordt rond de evenaar tegengehouden door gesloten magnetische velden'.

Tijdens zijn klim naar hogere breedten registreerde Ulysses ook regelmatig schokgolven in de zonnewind. Deze kunnen op twee manieren ontstaan: door uitstoting van materie en door een botsing van de snelle zonnewind tegen de langzame zonnewind. Schokgolven van deze laatste soort werden waargenomen tot april dit jaar, toen Ulysses boven 60ß8 zuiderbreedte was gekomen. Dat was tot op veel hogere breedten dan tot dan toe voor mogelijk werd gehouden. Marsden: 'Blijkbaar planten de golven zich voort tot ver buiten de breedte waarop ze ontstaan'.

Bellen

Ulysses heeft op hogere breedten ook enorme bellen plasma waargenomen die af en toe uit de corona de ruimte in verdwijnen. Zulke bellen hebben soms een diameter van een miljoen kilometer en omvattten miljarden tonnen gas. Ook zij kunnen in de interplanetaire ruimte schokgolven veroorzaken. Hierbij worden elektrisch geladen deeltjes versneld, die het magnetische veld van de aarde in beroering brengen en poollicht en storingen in de radiocommunicatie veroorzaken. Het bestaan van zulke coronale massa-uitstotingen was al bekend, maar nu zijn er voor het eerst op hoge breedten metingen aan verricht.

Ook het gedrag van de kosmische straling is tijdens de workshop op Estec een belangrijk discussiepunt. Kosmische straling bestaat uit energierijke deeltjes die uit alle richtingen in het heelal komen. In het evenaarvlak van de zon worden ze door het magnetische veld al op grote afstand tegengehouden, maar bij de polen zouden ze via de magnetische veldlijnen veel dichterbij moeten kunnen komen.

'Men had verwacht dat de intensiteit van de kosmische straling dus geleidelijk zou toenemen', zegt Marsden. 'Dat is echter niet gebeurd in de mate die theoretici hadden voorspeld. Pas de metingen van de laatste weken wijzen er op dat er toch wel een zekere toename plaatsvindt, maar of die van de grootte is die men had verwacht zal nog moeten blijken'.

Men hoopt dat het onderzoek aan de zon uiteindelijk ook zal leiden tot het antwoord op de vraag hoe de corona aan zijn hoge temperatuur komt. Terwijl het oppervlak van de zon nog geen 6000 graden heet is, heeft de atmosfeer van een zon een temperatuur van 1 à 2 miljoen graden. Deze verhitting vindt plaats over een afstand van slechts enkele duizenden kilometers. Tijdens het symposium 'The High-Latitude Heliophere', dat eerder dit jaar werd gehouden in het Duitse Friedrichshafen, werd dit een van de meest fundamentele problemen in het zonne-onderzoek genoemd.

Marsden: 'We weten dat er op de een of andere manier vanuit het zichtbare zonsoppervlak energie in de corona komt en we denken dat een van de manieren waarop dat kan gebeuren het uitdempen van hydromagnetische golven is. Zulke golven zijn echter nog niet waargenomen. We hebben wel bepaalde golven in het magnetische veld van de zuidpool van de zon gezien, maar we weten niet of dat de golven zijn die de corona verhitten'.

Op 5 november zal Ulysses het (arbitrair gekozen) zuidpoolgebied van de zon verlaten. Hij zakt dan terug naar lagere breedten, om in februari 1995 het baanvlak van de aarde te kruisen en op weg te gaan naar het noordpoolgebied van de zon. Daar zal Ulysses van 20 juli tot 30 september 1995 overeen vliegen. Na een lange tocht naar de baan van Jupiter en weer terug, vliegt Ulysses dan in 2000 en 2001 opnieuw over achtereenvolgens de zuid- en de noordpool van de zon.

In die tijd is de zon weer in haar periode van maximale activiteit gekomen en is de structuur van haar atmosfeer en magnetische veld veel ingewikkelder geworden. Marsden: 'In het jaar 2001 kunnen we dan een belangrijk totaalbeeld hebben van hoe de zon zich gedraagt in zowel de meest rustige als de meest onrustige periode van haar elfjarige activiteitscyclus'.

Volgens Marsden heeft de Esa al financiële steun toegezegd voor een verlenging van het Ulysses-project en zijn de berichten van de kant van de Nasa zeer positief. 'Ik heb alle hoop dat we het avontuur kunnen voortzetten en dat we dan over zes jaar weer zo'n happening als hier kunnen houden'.

Aanbevolen literatuur: Herbert Friedman, Zon en Aarde, Natuur en Techniek, Maastricht 1989.