sun solar
© Mongta Studio/Shutterstock
Het zichtbare oppervlak van de zon, of de fotosfeer, is ongeveer 6.000°C. Maar een paar duizend kilometer daarboven - een kleine afstand als we de omvang van de zon in aanmerking nemen - is de zonneatmosfeer, ook wel de corona genoemd, honderden malen heter, tot een miljoen graden Celsius of hoger.

Deze piek in temperatuur, ondanks de grotere afstand tot de belangrijkste energiebron van de zon, is waargenomen bij de meeste sterren en vormt een cruciaal raadsel waarover astrofysici al tientallen jaren peinzen.


Commentaar: Misschien ligt een deel van het probleem in de theorie betreffende de herkomst van de energie van een ster? Misschien komt deze niet van binnenuit, maar van buitenaf?


In 1942 stelde de Zweedse wetenschapper Hannes Alfvén een verklaring voor. Hij theoretiseerde dat gemagnetiseerde golven van plasma enorme hoeveelheden energie langs het magnetische veld van de zon van het inwendige naar de corona konden transporteren, waarbij zij de fotosfeer omzeilden voordat zij in de opperatmosfeer van de zon explodeerden met hitte.

De theorie was aanvankelijk reeds aanvaard, maar er was nog steeds bewijs nodig en wel in de vorm van empirische waarnemingen dat deze golven bestonden. Onze recente studie heeft dit eindelijk vastgesteld en daarmee de 80 jaar oude theorie van Alfvén gevalideerd en ons een stapje dichter gebracht bij het benutten van dit hoogenergetische verschijnsel hier op Aarde.

Brandende
vragen

Het vraagstuk omtrent de coronale verhitting bestaat al sinds eind jaren dertig, toen de Zweedse spectroscopist Bengt Edlén en de Duitse astrofysicus Walter Grotrian voor het eerst verschijnselen in de corona van de zon waarnamen, welke alleen konden optreden bij een temperatuur van enkele miljoenen graden Celsius.

Dit komt overeen met temperaturen welke tot 1000 maal hoger zijn dan de fotosfeer eronder, het oppervlak van de zon dat wij vanaf Aarde kunnen zien. Het schatten van de warmte van de fotosfeer is altijd relatief eenvoudig geweest: we hoeven alleen maar het licht te meten dat ons van de zon bereikt en dat te vergelijken met spectrummodellen welke de temperatuur van de bron van het licht voorspellen.


De extreme hitte van de zons corona vertegenwoordigt een van de meest lastige problemen in de astrofysica.

Gedurende tientallen jaren van onderzoek is de temperatuur van de fotosfeer steeds geschat op ongeveer 6.000°C. De ontdekking van Edlén en Grotrian dat de corona van de zon zoveel heter is dan de fotosfeer - ondanks het feit dat ze verder verwijderd is van de kern van de zon, de uiteindelijke energiebron - leidde in de wetenschappelijke gemeenschap tot heel wat hoofdbrekens.

Wetenschappers keken naar de eigenschappen van de zon om dit verschil te verklaren. De zon bestaat bijna volledig uit plasma, een sterk geïoniseerd gas dat een elektrische lading draagt. De beweging van dit plasma in de convectiezone - het bovenste gedeelte van de binnenkant van de zon - veroorzaakt enorme elektrische stromen en sterke magnetische velden.

Deze velden worden vervolgens door convectie uit het inwendige van de zon omhoog getrokken en komen op het zichtbare oppervlak terecht in de vorm van donkere zonnevlekken, clusters van magnetische velden welke een verscheidenheid van magnetische structuren in de zonneatmosfeer kunnen vormen.

En hier komt de theorie van Alfvén om de hoek kijken. Hij redeneerde dat binnen het gemagnetiseerde plasma van de zon alle bulkbewegingen van elektrisch geladen deeltjes het magnetische veld zouden verstoren, waardoor golven ontstaan die enorme hoeveelheden energie over grote afstanden kunnen vervoeren - van het oppervlak van de zon tot de bovenste atmosfeer. De hitte reist langs de zogenaamde magnetische fluxbuizen van de zon voordat ze in de corona uitbarst, waardoor de hoge temperatuur ervan veroorzaakt wordt.

Deze magnetische plasmagolven worden nu Alfvén-golven genoemd en hun rol in het verklaren van coronale verhitting leidde ertoe, dat Alfvén in 1970 de Nobelprijs voor natuurkunde ontving.

Waarneming van Alfvén-golven

Maar het probleem om deze golven daadwerkelijk waar te nemen bleef bestaan. Er gebeurt zoveel op het oppervlak van de zon en in de atmosfeer - van fenomenen die vele malen groter zijn dan de Aarde tot kleine veranderingen beneden de resolutie van onze instrumenten - dat het nog niet eerder is gelukt om directe waarnemingen van Alfvén-golven in de fotosfeer te doen.

oppervlak zon
© Siberian Art/ShutterstockZonnevlekken zijn donkere vlekken op het oppervlak van de zon.
Recente ontwikkelingen op het gebied van instrumenten zorgden echtervoor opening van een nieuw venster, waardoor we de natuurkundige aspecten van de zon kunnen onderzoeken. Eén zo'n instrument betreft de Interferometric Bidimensional Spectropolarimeter (IBIS) voor beeldspectroscopie, geïnstalleerd bij de Dunn Solar Telescope in de Amerikaanse staat New Mexico. Dit instrument heeft ons in staat gesteld veel gedetailleerdere waarnemingen en metingen met betrekking tot de zon te verrichten.

In combinatie met goede waarnemingsomstandigheden, geavanceerde computersimulaties en de inspanningen van een internationaal team van wetenschappers uit zeven onderzoeksinstellingen, hebben we de IBIS gebruikt om eindelijk voor het eerst het bestaan van Alfvén-golven in magnetische fluxbuizen van de zon te bevestigen.

Nieuwe energiebron

De directe ontdekking van Alfvén-golven in de fotosfeer van de zon is een belangrijke stap in de richting van de exploitatie van hun hoge energiepotentieel hier op Aarde. Zij kunnen ons bijvoorbeeld helpen bij het onderzoek naar kernfusie, het proces dat in de zon plaatsvindt en waarbij kleine hoeveelheden materie worden omgezet in enorme hoeveelheden energie. Onze huidige kerncentrales gebruiken nucleaire splijting, hetgeen volgens critici gevaarlijk kernafval oplevert - vooral in het geval van rampen zoals die in Fukushima in 2011.

Het genereren van schone energie door nabootsing van kernfusie van de zon hier op Aarde blijft een enorme uitdaging, omdat we nog steeds snel 100 miljoen graden celsius zouden moeten genereren om fusie te laten plaatsvinden. Alfvén-golven zouden een manier kunnen zijn om dit mogelijk te maken. Onze groeiende kennis van de zon toont aan dat het zeker mogelijk is - onder de juiste omstandigheden.

Op korte termijn verwachten we meer onthullingen over de zon, dankzij nieuwe, baanbrekende missies en instrumenten. De Solar Orbiter satelliet van de Europese ruimtevaartorganisatie draait thans in een baan om de zon en levert beelden en doet metingen van de onbekende poolgebieden van de ster. Hier op Aarde zal de onthulling van nieuwe, krachtige zonnetelescopen naar verwachting eveneens onze waarnemingen van de zon vanaf Aarde verbeteren.

Er moeten nog veel geheimen van de zon worden ontdekt, zoals de eigenschappen van het magnetisch veld van de zon en daarom is dit een opwindende tijd voor zonnestudies. Onze waarneming van Alfvén-golven is slechts één bijdrage aan een breder veld dat de resterende mysteries van de zon probeert te ontsluieren voor praktische toepassingen op Aarde.

Zie: https://theconversation.com/the-suns-atmosphere-is-hundreds-of-times-hotter-than-its-surface-heres-why-161392