Illustratie Anne van Wieren

Het raadsel van de extreem hete schil

Zonnefysica We weten eigenlijk nog maar weinig van de zon. Twee nieuwe sondes zijn op weg naar ‘onze’ ster. Eerste opnames tonen een spervuur van mini-explosies.

Voor de meeste astronomen is geen hemellichaam zo hinderlijk als de zon. Die fel stralende bol aan de hemel overstraalt zo’n beetje alles waar ze in geïnteresseerd zijn. Maar voor een klein deel is de zon juist een heel interessant onderzoeksobject. Het is de enige ster die van dichtbij te bestuderen is.

Op het eerste gezicht is aan die serene, stralende bol weinig bijzonders te zien. Maar schijn bedriegt: onder, op en boven het oppervlak van de zon gebeurt van alles. Ruwweg vier eeuwen van wetenschappelijk onderzoek geven inzicht in het wilde binnenste van de zon. De zon is een kolkende bal van heet ‘gas’ – bijeengehouden door de zwaartekracht – die soms heftig gedrag vertoont. Ze is bij vlagen het toneel van krachtige erupties die gelukkig ongemerkt aan ons voorbijgaan.

De zon mag dan de dichtstbijzijnde ster zijn, met een afstand van 150 miljoen kilometer is ze toch nog een eind van ons verwijderd. Daarbij komt nog dat het merendeel van de zonnestraling wordt ‘uitgefilterd’ door de aardatmosfeer. Om deze straling te kunnen waarnemen, moet je dus in de ruimte zijn. Het enige wat zich gemakkelijker vanaf de aarde laat doen is het maken van detailrijke opnamen van de zon in zichtbaar licht, zoals dat bijvoorbeeld met de onlangs in gebruik genomen Daniel K. Inouye Solar Telescope (DKIST) op het Hawaïaanse eiland Maui gebeurt.

Die laag kun je vergelijken met het oppervlak van een kokende vloeistof

Daniel Müller Estec

Om de zon ook op andere golflengten te kunnen bekijken, hebben NASA en ESA, de ruimteagentschappen van de VS en Europa, sinds 1960 meer dan twintig satellieten en ruimtesondes gelanceerd. De jongste paradepaardjes van dit zonneonderzoek zijn de Amerikaanse Parker Solar Probe en de Europees/Amerikaanse Solar Orbiter. De eerste werd op 12 augustus 2018 gelanceerd, de laatste op 10 februari van dit jaar. De komende jaren worden ze geleidelijk in banen gemanoeuvreerd die hen dicht bij de zon brengen.

„In zichtbaar licht is de zon inderdaad relatief gelijkvormig”, beaamt Daniel Müller, projectwetenschapper voor de Solar Orbiter-missie. Hij werkt bij Estec, het technische centrum van ESA in Noordwijk. „Het zonneoppervlak is echter geen vast oppervlak, maar een laag waar de energie die in het diepe inwendige van de zon wordt opgewekt als zichtbaar licht ontsnapt. Die laag kun je een beetje vergelijken met het oppervlak van een kokende vloeistof.”

Hete bellen plasma

Dat klinkt merkwaardig, omdat de zon immers uit gas bestaat. Of beter gezegd: plasma. Dat plasma bestaat uit atomen die door sterke verhitting een of meer elektronen zijn kwijtgeraakt. Plasma gedraagt zich eerder als vloeistof dan als gas.

De sterke verhitting is het gevolg van een proces dat zich in het hart van de zon afspeelt: kernfusie. „De zon bestaat voor bijna driekwart uit waterstof en voor ongeveer een kwart uit helium”, zegt Müller. „Per seconde wordt ongeveer 600 miljoen ton van dat waterstof in helium omgezet, en daarbij komt energie vrij.”

De vrijgekomen energie baant zich in eerste instantie in de vorm van zeer energierijke straling een weg naar buiten. Maar op ongeveer driekwart van de afstand tot het zonsoppervlak zijn druk en temperatuur niet meer hoog genoeg om energie in de vorm van straling door te geven. Het verdere warmtetransport gaat via convectie: hete bellen plasma stijgen op, geven hun warmte af bij het zonneoppervlak en dalen vervolgens weer. Net als borrelende hete olie in een frituurpan.

Deze cellen zijn in een voortdurende strijd verwikkeld met het magnetische veld

Daniel Müller Estec

Müller: „Als je de zon door een kleine telescoop bekijkt, krijg je hierdoor een korrelstructuur te zien die granulatie wordt genoemd. Met een grote telescoop laat deze granulatie zich oplossen in afzonderlijke ‘cellen’ met afmetingen van ongeveer duizend kilometer. En deze cellen zijn in een voortdurende strijd verwikkeld met het magnetische veld dat overal tussen hen in zit.”

Aan het zonneoppervlak weten de convectiecellen het magnetische veld nog wel in toom te houden, behalve dan op plekken waar het veld sterker is dan normaal. Daar stokt de convectie en koelt het oppervlak af. Zo ontstaan de (relatief) donkere zonnevlekken.

Bóven het zonsoppervlak neemt de materiedichtheid sterk af en krijgt het magnetische veld de overhand. Hierdoor lijkt de zon zoals we die in zichtbaar licht zien scherp begrensd. ‘Lijkt’, want ook boven het oppervlak bevindt zich nog materie, maar die zendt geen zichtbaar licht uit. Dat komt doordat het weinige plasma in deze ijle atmosfeer – de zogeheten corona – plotseling zeer sterk wordt verhit. Het zendt daardoor alleen straling van kortere golflengten uit, zoals ultraviolet en röntgen.

 

Daarbij stuiten we op hét grote vraagstuk van de zonnefysica. Want hoe kan de atmosfeer van de zon nu heter zijn dan haar oppervlak? Het lijkt wel een kampvuur dat meer warmte uitstraalt naarmate je er verder vandaan gaat zitten. „Intuïtief verwacht je niet dat een ster met een hete kern en een temperatuur die gestaag daalt naarmate je dichter bij het zichtbare oppervlak komt, omgeven kan zijn door een schil van extreem heet gas met een temperatuur van enkele miljoenen graden”, beaamt Müller.

Voor dit ‘coronale verhittingsprobleem’ zijn diverse verklaringen bedacht, maar het is niet eenvoudig om te bepalen welke van deze de juiste is. Wel duidelijk is dat de meeste van deze theorieën verband houden met het magnetische veld van de zon. Dit veld wordt gegenereerd door de bewegende geladen deeltjes van het zonneplasma, ongeveer op de manier waarop een fietsdynamo stroom opwekt.

Een wirwar aan veldlijnen

Globaal lijkt het magnetische veld van de zon op dat van een normale staafmagneet, maar het is complexer. Behalve bij de noord- en zuidpool zijn er ook magnetische polen elders op de zon, zoals bij de zonnevlekken. Het resultaat is een wirwar aan veldlijnen, die nog eens wordt verergerd door het feit dat de zon geen vast object is, zoals de aarde. Hierdoor roteert het plasma rond de polen trager dan dat aan de evenaar.

„Boven het zonsoppervlak is het dus het magnetische veld dat bepaalt waar het plasma heen stroomt, ongeveer zoals auto’s over de snelwegen worden geleid”, legt Müller uit. „Op die manier ontstaan bijvoorbeeld de ‘protuberansen’ – grote bogen van plasma.”

De veldlijnen bij zonnevlekken en protuberansen zijn gesloten. Dat wil zeggen dat ze op de ene plek de zon uit komen en op de andere plek de zon weer in gaan. Maar dat geldt niet voor álle veldlijnen van de zon. Sommige gaan recht omhoog en buigen nooit meer terug. Op die plekken is de zon als het ware ‘lek’: het plasma stroomt als ‘zonnewind’ de ruimte in.

Maandenlang op hun plek

Van de normale zonnewind heeft de aarde niet veel last. Maar nu en dan zijn er eruptieve verschijnselen op de zon die het ‘ruimteweer’ ernstig verstoren, zoals de zogeheten coronale massa-ejecties of CME’s. „Dit soort erupties hangt eigenlijk altijd samen met veranderingen in het magnetische veld van de zon”, zegt Müller. „Vaak is dat veld zo geconfigureerd dat het materiaal dicht bij het zonneoppervlak blijft, zoals in het geval van de protuberansen, die maandenlang op hun plek kunnen blijven.”

„Als echter de magnetische spanning in de veldlijnen te groot wordt, hebben die de neiging om te breken – zoals een elastiekje knapt wanneer je het sterk verdraait. Voor de veldlijnen is het dan energetisch gunstiger om een nieuwe verbinding aan te gaan met een ander punt op het zonneoppervlak. Daarbij komt de opgeslagen spanningsenergie abrupt vrij en wordt heet plasma – vaak in grote hoeveelheden – met hoge snelheid de ruimte in gekatapulteerd.”

Wanneer de vrijgekomen deeltjes toevallig onze kant op komen, kunnen ze de aarde bereiken en onderweg kortsluitingen veroorzaken in satellieten. In extreme gevallen vernielen ze ook elektrische systemen op aarde, zoals bij de grote ‘zonnestorm’ van 1859, die het telegraafverkeer in de war stuurde.

„Er zijn onderzoeken die aangeven dat als er nu een uitbarsting van deze omvang zou plaatsvinden, de schade honderden miljarden euro’s zou bedragen”, vertelt Müller. „Dat komt doordat we sterk afhankelijk zijn geworden van gevoelige elektrische apparatuur, zoals navigatiesystemen. De kans op herhaling is waarschijnlijk relatief klein, maar de maatschappelijke gevolgen zouden enorm zijn.”

Duizenden weerstations

Vandaar dat zonnewetenschappers beter proberen te voorspellen. „Vergelijk het maar met het opstellen van een weersverwachting, maar dan voor de ruimte en een stuk minder nauwkeurig”, aldus Müller. „Meteorologen kunnen beschikken over de gegevens van duizenden weerstations en satellieten. Op basis van deze gegevens kunnen gecompliceerde computermodellen goed berekenen hoe het weer van de komende twee of drie dagen eruit zal zien, maar daarna worden de resultaten onzekerder. Zo is het met de zon ook, maar daarbij beschikken we over veel minder meetstations. Hierdoor laat zelfs de activiteit voor de komende twee dagen zich al heel moeilijk voorspellen, ook al omdat we de onderliggende fysische processen niet tot in alle details begrijpen.”

Müller denkt dat het onderzoek dat met de Parker Solar Probe en Solar Orbiter wordt gedaan een belangrijke rol kan gaan spelen bij het voorspelbaarder maken van het ruimteweer. „Het belang van Parker Solar Probe is dat er nieuwe gegevens beschikbaar zullen komen over processen die zich dicht bij de zon afspelen – op de plekken waar de deeltjes van de zonnewind worden versneld. Met die kennis kunnen de rekenmodellen enorm worden verbeterd. En een van de kernaspecten van de Solar Orbiter-missie is dat we de poolgebieden van de zon gaan verkennen. Daarover is nog heel weinig bekend.”

Mooi natuurlijk, die kennis. Maar wat kún je ermee? „Solar Orbiter is uiteraard een onderzoeksmissie en geen operationeel ruimteweerstation”, benadrukt Müller. „Zelfs als het nieuwe onderzoek betere rekenmodellen oplevert, dan resteert nog altijd het probleem dat we de situaties die we zien aankomen niet in de hand hebben. Wat komt, dat komt.”

Piloten mijden de polen

„Wat je wél kunt doen is satellieten in safe mode zetten en zo draaien dat hun meest gevoelige onderdelen geen schade oplopen. En sommige hoogspanningssystemen zou je kunnen uitschakelen, zodat er tijdens zo’n zonnestorm niets stukgaat. Overigens wordt er bij het vliegverkeer ook nu al rekening gehouden met verhoogde zonneactiviteit: piloten mijden dan de routes over de polen, waar de energierijke zonnedeeltjes de aardatmosfeer binnendringen.”

De eerste maanden van dit jaar zijn Müller en zijn collega’s vooral bezig geweest om de meetinstrumenten van Solar Orbiter voor te bereiden op de eerste (ruime) nadering van de zon, die half juni heeft plaatsgevonden. Kort daarvoor is ook geprobeerd om metingen te doen van materiaal dat in de ruimte is achtergelaten door komeet Atlas. De ruimtesonde vloog namelijk bij toeval door de ‘staart’ van deze komeet heen. Of er ook echt deeltjes van de komeet zijn geregistreerd, zal een nauwkeurige analyse van de meetgegevens moeten uitwijzen.

Inmiddels zijn ook de eerste testopnamen van de zon gepresenteerd. Daarop is onder meer te zien dat het zonneoppervlak lijkt te flakkeren als een kampvuur. Het is denkbaar dat dit permanente spervuur van mini-explosies een rol speelt bij de verhitting van de corona van de zon, maar het is nog wat vroeg voor conclusies. „Echt in actie komen de camera’s pas in november 2021”, zegt Müller. „Dat heeft ermee te maken dat we nog bezig zijn om de sonde dichter bij de zon te manoeuvreren. Toch denk ik dat we ook nu al interessante dingen kunnen doen, vooral omdat Solar Orbiter is uitgerust met een nieuw soort sensoren die nog nooit in satellieten zijn gebruikt. Daarmee kunnen we metingen doen die met Parker Solar Probe niet mogelijk zijn. De twee sondes vullen elkaar dus goed aan.”