Två satelliter löser solen sista gåtor

Flera miljarder ton glödhet gas slungas ut från solen med kurs mot jorden. Gasbubblan är större än 30 jordklot och full av elektriskt laddade partiklar som på ett ögonblick kan få satelliter ur kurs och förstöra våra elnät.

Solutbrottet den 23 juli 2012 var det kraftigaste på 150 år, men som tur var missade det jorden – om än med knapp marginal.

Om gaserna hade slungats iväg bara en vecka tidigare hade jorden träffats, och skadorna hade kunnat bli katastrofala. Enligt forskarna hade det i värsta fall tagit fyra till tio år att reparera dem.

Sedan dess har solens naturliga aktivitet varit avtagande, så de stora solutbrotten har varit få och inte lika kraftfulla.

Från och med år 2020 stiger emellertid aktiviteten igen, vilket innebär att jorden hamnar i farozonen.

Därför sänder det europeiska rymd­organet ESA i februari upp solsatelliten Solar Orbiter för att studera utbrotten från början till slut.

ESA hoppas att Orbiter tillsammans med andra satelliter och teleskop kan bana väg för ett system som i god tid varnar för solens farliga frontalangrepp.

Kort omloppsbana får upp farten

Efter uppsändningen från den amerikanska basen Cape Canaveral ger sig Solar Orbiter ut på en två år lång resa, som via två vändor kring Venus och jorden för satelliten allt närmare solen.

Orbiters uppgift är att visa hur magnetfält och partiklar påverkar koronan, solens atmosfär.

På så sätt kommer astronomerna att kunna lära sig mer om hela heliosfären, solens skyddande bubbla av partiklar, som omger solsystemet.

Eftersom solen roterar och stora delar av ytan därmed är riktad bort från vårt synfält är många av solens processer dolda för oss.

Solar Orbiter kommer som första satellit någonsin att hovra över en och samma punkt på solens yta i en vecka i taget.

Det kan Orbiter göra för att den närmaste punkten i satellitens avlånga bana ligger 42 miljoner kilometer från stjärnan, närmare än Merkurius.

Där drar solens gravitationsfält upp Orbiter till 7 200 kilometer i timmen, vilket motsvarar solens egen rotationshastighet.

Denna enastående förmåga gör det möjligt att följa hela förloppet när de största sol­utbrotten, de så kallade koronamassutkastningarna, inträffar.

Då slungar solen ut gaser fulla av elektriskt laddade partiklar i rymden. Mätningarna ska bekräfta om de tidigare teorierna och datormodellerna håller, och slå fast exakt hur och varför utbrotten uppstår.

Fläckar avslöjar utbrottssäsong

Solen ger en synlig förvarning om sina utbrott i form av solfläckar. Under en cirka elva år lång cykel täcker fläckarna solen som mörka prickar stora som jorden eller fläckar som täcker större delar av solytan.

Sedan astronomerna började räkna solens fläckar i mitten av 1700-talet har det varit 24 solcykler. Nästa cykel kulminerar senast år 2026. Då ökar antalet solutbrott från cirka ett var femte dag till tre om dagen.

Därmed mångdubblas risken för att jorden ska drabbas.

Fläckarna uppstår i områden där solens magnetfält är extra starkt. Där dras magnetfältets linjer ihop så att det bildas bågar som bryter igenom ytan och når upp till koronan, solens atmosfär.

I punkterna där bågarnas ben sticker ner i stjärnan sjunker temperaturen från 5 778 grader Kelvin till cirka 4 000–4 500 grader Kelvin och bildar solfläckar.

I dessa bågar uppstår de flesta solutbrott. Därför är ett av huvudsyftena med Solar Orbiter att undersöka exakt hur magnetfälten över tid får bågarna att bildas.

Bågarna kastar ut massa

Solens magnetfält uppstår för att all materia i stjärnan är plasma, en energirik gas i vilken atomerna är skilda i positivt laddade atomkärnor och negativt laddade elektroner.

När varm plasma i de yttersta 182 000 kilometerna av solen stiger mot ytan samtidigt som mindre het plasma sjunker så skapar rörelserna mellan partiklarna magnetfälten som sticker upp ur koronan.

I koronan förvrider turbulens i solens yta de långa bågarna så att fältlinjerna brister och återförenas.

Det utlöser ett slags solutbrott, så kallade solfacklor, enorma ljussken som kan pågå i timmar och avge energi motsvarande en explosion av 160 miljarder ton sprängmedel.

När fältlinjerna bryts kan de inte längre hålla kvar solens plasma, som är instängd i bågarna.

Då uppstår en annan typ av solutbrott, en koronamassutkastning i vilken plasman slungas ut ur koronan i en hastighet upp emot 3 400 kilometer per sekund.

I vissa fall följs emellertid solfacklorna inte av omfattande solutbrott. I dagsläget vet astrofysikerna inte varför.

Därför ska Solar Orbiter mäta både långvariga och plötsliga förändringar i solens magnetfält för att lära sig mer om vilka processer som ligger bakom de olika typerna av solutbrott.

En storm hade varit förödande

Den största kända massutkastningen drabbade jorden år 1859 och gav upphov till en så kallad geomagnetisk storm. De mest omfattande skadorna drabbade telegraflinjerna, som sattes ur drift under en period.

Två tredjedelar av planeten upplevde stormen som norrsken som lyste upp himlen så långt söderut som Kuba och Hawaii.

Utan ett varningssystem kan ett solutbrott i dagens högtekniska samhälle få betydligt större konsekvenser än på den tiden. Skadornas omfattning påverkas av vilken riktning solutbrottets fältlinjer har.

Om de ligger parallellt med linjerna i jordens magnetsköld leds partiklarna runt planeten, men om så inte är fallet tar sig plasman igenom skölden, så att atmosfären fylls med tonvis av laddade partiklar.

Utbrottet påverkar elektriskt ledande material på jorden på samma sätt som en induktionshäll.

När många elektriskt laddade partiklar tränger in i atmosfären uppstår elektromagnetiska fält som kan framkalla (inducera) el i exempelvis elkablar.

Elen riskerar att överbelasta och förstöra satelliter, transformatorer och elektriska apparater som är kopplade till eluttag.

Om satelliter skulle flyttas ur sin position blir de tillfälligt obrukbara, och då riskerar stora delar av världens telenät att sluta fungera.
Konsekvenserna av ett strömavbrott är ännu större. Planetens vattenförsörjning och livsmedelsproduktion är i hög grad beroende av el för drift av pumpar och kylsystem.

Det kan ta månader innan elförsörjningen är uppe i full kapacitet igen, och under tiden är samhället förlamat.

Solar Orbiter är därför viktig för att vi ska få ett system som varnar för annalkande solutbrott, men som samtidigt bara slår larm när det är riktigt allvar.

Nya kunskaper ger effektivt larm

Den moderna vakthunden är Nasas satellit Solar and Heliospheric Observatory (Soho), som befinner sig 1,5 miljoner kilometer från jorden, i siktlinjen mot solen.

Därifrån kan Soho upptäcka massutkastningar med kurs mot jorden och larma senast 15 timmar innan bubblan anländer. Det krävs dock två–tre dygn för att säkra vitala delar av elnätet.

Solar Orbiter, som bara kommer nära solen var femte månad, kan inte användas som en konstant vaktpost.

Därför arbetar ESA med Lagrange, en varningssatellit som år 2023 ska sändas upp till en punkt i rymden där den kan observera solen från sidan.

Därifrån kan satelliten övervaka områden som vänds mot jorden först flera dagar senare och därmed meddela i god tid innan ett solutbrott är på väg.

Ju mer forskarna vet om omstruktureringarna av magnetfälten på solytan, desto tidigare varningar kan satelliten ge.

Därför är Solar Orbiters uppsändning första steget mot en betydligt säkrare jord under solens nästa utbrottssäsong.

Det var spänt i Nasas kontrollrum den 7 november 2018 då sonden Parker Solar skulle ge ifrån sig ett livstecken efter sitt första varv runt solen.

Satelliten hade kretsat närmare stjärnan än något annat mänskligt skapat föremål, så när ett A tonade fram på bildskärmen i Johns Hopkins Applied Physics Lab i den amerikanska delstaten Maryland var lättnaden i rummet stor.

Det innebar nämligen att Parker var oskadd och att alla instrument fungerade och registrerade data.

Sedan dess har Parker Solar Probe färdats ytterligare två varv runt solen och skickat sitt första datapaket till jorden.

För varje varv kommer sonden allt närmare stjärnan – till det 24:e varvet den 24 december 2024, då Parker passerar solen på endast 6,2 miljoner kilometers avstånd.

Därifrån kommer sonden att kunna observera och mäta solens oförklarligt varma atmosfär, koronan, och ta reda på hur solvindens partiklar plötsligt accelererar.

I ryggen har Parker en armé av farkoster och teleskop som ska hjälpa till att lösa solens sista stora gåtor.

Datapaketet var större än väntat

Rekordet för att kretsa nära solen innehas av sonden Helios-B, som år 1976 passerade på 44 miljoner kilometers avstånd.

Parker ska kretsa sju gånger närmare, och de första varven – där den låg 24 miljoner kilometer från stjärnan – har redan slagit rekord.

Parker närmar sig sakta eftersom sju av sondens omloppsbanor passerar nära Venus, vars gravitationsfält sänker satellitens hastighet.

Därmed blir banan under de följande varven något kortare. Solens gravitationsfält får i gengäld satelliten att accelerera.

Den kommer att bli den snabbaste farkosten i solsystemet med en topphastighet av 692 000 kilometer i timmen.

Satellitens 11,5 centimeter tjocka värmesköld av kol värms upp till 1 377 grader. Solljuset nära stjärnan är nämligen 475 gånger starkare än på jorden.

Skölden garanterar att sondens instrument hålls nedkylda till cirka 30 grader. De första kretsloppen visade att satellitens instrument fungerar som de ska, den höga värmen till trots.

Parkers första datapaket var dock mer än bara ett test. Sonden förde över 22 gigabyte data till jorden, drygt 50 procent mer än vad forskarna hade räknat med.

Nu väntar omfattande analyser som kan bidra med epokgörande forskningsresultat långt innan expeditionen kulminerar.

Instrumentet Solar Probe Cup har särskilt stor betydelse, eftersom det sticker ut från sondens sköld.

Det bepansrade instrumentet kan därmed direkt mäta partiklar i koronan, där ingen satellit tidigare har varit.

Sond dyker ner i solvinden

Från koronans ytterområden strömmar ett konstant flöde av laddade partiklar, huvud­sakligen protoner och elektroner, till hela solsystemet.

Varje sekund avges 1,3–1,9 miljoner ton partiklar, som tillsammans utgör fenomenet solvind. Jordens magnetsköld leder det mesta av solvinden runt planeten, men de laddade partiklarna syns emellanåt som norrsken.

Under långa rymdresor kan emellertid strålning från dessa partiklar ge astronauter cancer.

Det är bland annat därför som astronomerna behöver lära sig mer om solvinden så att de kan skydda expeditioner till månen och Mars på bästa sätt.

Det finns två typer av solvind, dels snabb solvind med hastigheter av 750 kilometer per sekund som avges vid polerna, dels långsam solvind som avges från övriga delar av koronan i en hastighet av 400–500 kilometer per sekund.

Den senare kan astronomerna ännu inte förklara. I koronans nedre del hålls de laddade partiklarna fast av välvda magnetfält som sticker upp ur solytan.

Ett okänt fenomen i den yttersta delen av koronan får emellertid partiklarna att accelerera till så höga hastigheter att varken magnetfält eller solens gravitation kan hålla fast dem.

I de tidiga omloppsbanorna befinner sig satelliten utanför området där accelerationen sker och mäter elektroner och protoner som just har slungats ut i rymden.

I de senare omloppsbanorna kommer sonden under gränsen och kan göra direkta mätningar av processen som ökar partiklarnas hastighet. Då kan man eventuellt lösa gåtan.

Två fenomen värmer koronan

En förklaring till partiklarnas flykt kan visa sig om Parker löser en annan av solens stora gåtor: Hur det kommer sig att koronan är 200–500 gånger varmare än solytan?

Gasen i koronan är en till två miljoner grader varm medan solytan bara är 5 500 grader varm. Det är som om temperaturen hade stigit när man rörde sig bort från en brasa.

En delförklaring är de starka magnetfält vid solytan som astrofysikerna tror värmer upp partiklarna i koronan, men de vet ännu inte exakt hur.

Även stora solutbrott bidrar till uppvärmningen, men de inträffar för sällan för att kunna värma upp hela koronan.

Därför ska Parker under sitt uppdrag studera mekanismer som misstänks bidra till uppvärmningen.

Den ena är små solfacklor, nanofacklor, som uppstår när magnetfältets bågar i koronan brister och återförenas i en stabilare struktur – exempelvis stora solfacklor.

Nanofacklorna avger knappt en miljarddel av en stor solfacklas värme, men om det uppstår en miljon nanofacklor i sekunden kan dessa tillsammans skapa koronans höga temperatur.

Den andra mekanismen är magnetiska vågor som uppstår inne i solen och slungas upp genom koronan, där de får magnetiska fältlinjer att vibrera.

Det får laddade partiklar i koronan att bilda spiraler runt linjerna, vilket tvingar upp partiklarna i höga hastig­heter och därmed även höga temperaturer.

Om magnetiska vågor är förklaringen kan Parkers instrument registrera fältlinjernas vibrationer. Om nanofacklor värmer upp koronan kan Parker räkna kortslutningarna i fältlinjerna som utlöser dem.

Det kan visa om koronan värms upp av den ena eller av båda mekanismerna, och vilken roll uppvärmningen spelar för solvinden.

Trios samspel ger full överblick

Parker får sällskap när den europeiska satelliten Solar Orbiter år 2023 placeras i omloppsbana mellan 42 och 135 miljoner kilometer från solen.

De två sonderna utgör då den yttersta förposten i ett samspel mellan satelliter och teleskop på marken som ger astrofysikerna nya möjligheter.

Parker kan till exempel mäta partiklar när de slungas ut i rymden medan Solar Orbiter upprepar mätningarna längre ut.

Observationer på olika avstånd kan visa varför partiklarna inte förlorar energi, utan når jorden med nästan samma hastighet och temperatur som när de lämnade koronan.

Snart får de två satelliterna hjälp av värl­dens största solteleskop, Daniel K. Inouye­-teleskopet på Hawaii, som tas i bruk i juni.

Två gånger i minuten ska teleskopet, som kan visa 70 gånger 70 kilometer stora detaljer på ytan, fotografera solen. Samarbetet kan ge den överblick som slutligen avslöjar solens sista hemligheter.