År 1610, Galileo gjorde om teleskopet och upptäckte Jupiters fyra största månar. Nästan 400 år senare, NASA:s rymdteleskop Hubble använde sin kraftfulla optik för att titta djupt ut i rymden – vilket gjorde det möjligt för forskare att fastställa universums ålder.

Det räcker med att säga att att få en bättre titt på saker ger stora vetenskapliga framsteg.

I en tidning publicerad den 18 juli i The Astrofysisk tidskrift , ett team av forskare ledda av Craig DeForest – solfysiker vid Southwest Research Institutes filial i Boulder, Colorado – visa att denna historiska trend fortfarande håller. Med hjälp av avancerade algoritmer och datarensningstekniker, teamet upptäckte aldrig tidigare upptäckt, finkorniga strukturer i den yttre koronan – solens miljongraders atmosfär – genom att analysera bilder tagna av NASA:s STEREO-farkost. De nya resultaten ger också en föraning om vad som kan ses av NASA:s Parker Solar Probe, som efter lanseringen sommaren 2018 kommer att kretsa direkt genom den regionen.

Den yttre koronan är källan till solvinden, strömmen av laddade partiklar som strömmar ut från solen i alla riktningar. Mätt nära jorden, de magnetiska fälten inbäddade i solvinden är sammanflätade och komplexa, men vad som orsakar denna komplexitet är fortfarande oklart.

"I rymden, solvinden är turbulent och byig, " sa DeForest. "Men hur blev det så? Lämnade det solen slät, och blir turbulent när den korsade solsystemet, eller berättar vindbyarna oss om själva solen?"

För att besvara denna fråga krävs att man observerar den yttre koronan - källan till solvinden - i extrem detalj. Om solen själv orsakar turbulensen i solvinden, då borde vi kunna se komplexa strukturer redan från början av vindens resa.

Men befintliga data visade inte en så finkornig struktur - åtminstone, tills nu.

"Tidigare bilder av corona visade regionen som en jämn, laminär struktur, sa Nicki Viall, solfysiker vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, och medförfattare till studien. "Det visar sig, att den uppenbara jämnheten bara berodde på begränsningar i vår bildupplösning."

Studien

För att förstå corona, DeForest och hans kollegor började med koronagrafbilder - bilder av solens atmosfär producerade av ett speciellt teleskop som blockerar ljuset från den (mycket ljusare) ytan.

Dessa bilder genererades av COR2 coronagraph ombord på NASA:s Solar and Terrestrial Relations Observatory-A, eller STEREO-A, rymdskepp, som kretsar runt solen mellan jorden och Venus.

I april 2014 STEREO-A skulle snart passera bakom solen, och forskare ville få lite intressanta data innan kommunikationen kortvarigt avbröts.

Så de körde en speciell tredagars datainsamlingskampanj under vilken COR2 tog längre och mer frekvent exponering av corona än vad det brukar. Dessa långa exponeringar ger mer tid för ljus från svaga källor att träffa instrumentets detektor – vilket gör att det kan se detaljer som det annars skulle missa.

Men forskarna ville inte bara ha bilder med längre exponering – de ville att de skulle ha högre upplösning. Alternativen var begränsade. Instrumentet var redan i rymden; till skillnad från Galileo kunde de inte mixtra med själva hårdvaran. Istället, de tog en mjukvarustrategi, pressa ut data av högsta kvalitet genom att förbättra COR2:s signal-brusförhållande.

Vad är signal-brusförhållande?

Signal-brusförhållandet är ett viktigt begrepp inom alla vetenskapliga discipliner. Den mäter hur väl du kan skilja det du bryr dig om att mäta – signalen – från de saker du inte gör – bruset.

Till exempel, låt oss säga att du är välsignad med bra hörsel. Du märker det minsta av mus-gnisslande sent på natten; du kan tjuvlyssna på viskningarna från sammanhopade skolbarn tjugo meter bort. Din hörsel är oklanderlig – när ljudet är lågt.

Men det är ett helt annat bollspel när du står på första raden på en rockkonsert. De andra ljuden i miljön är alldeles för överväldigande; hur noga du än lyssnar, muspip och viskningar (signalen, i det här fallet) kan inte skära igenom musiken (bruset).

Problemet är inte din hörsel – det är det dåliga signal-brusförhållandet.

COR2:s koronagrafer är som din hörsel. Instrumentet är tillräckligt känsligt för att avbilda koronan i detalj, men i praktiken är dess mätningar förorenade av buller – från rymdmiljön och till och med själva instrumentets ledningar. DeForest och hans kollegors viktigaste innovation var att identifiera och separera det bruset, öka signal-brusförhållandet och avslöja den yttre koronan i oöverträffad detalj.

Analysen

Det första steget mot att förbättra signal-brusförhållandet hade redan tagits:bilder med längre exponering. Längre exponeringar släpper in mer ljus i detektorn och minskar brusnivån – teamet uppskattar brusreduceringen med en faktor på 2,4 för varje bild, och en faktor 10 när du kombinerar dem under en 20-minutersperiod.

Men de återstående stegen var upp till sofistikerade algoritmer, designad och testad för att extrahera den sanna koronan från de bullriga mätningarna.

De filtrerade bort ljus från bakgrundsstjärnor (som skapar ljusa fläckar i bilden som inte riktigt är en del av koronan). De korrigerade för små (några millisekunder) skillnader i hur länge kamerans slutare var öppen. De tog bort grundljusstyrkan från alla bilder, och normaliserade det så att ljusare regioner inte skulle tvätta bort svagare områden.

Men ett av de mest utmanande hindren är inneboende i koronan:rörelseoskärpa på grund av solvinden. För att övervinna denna bullerkälla, DeForest och kollegor körde en speciell algoritm för att jämna ut sina bilder i tid.

Jämna ut i tid – med en twist

Om du någonsin har gjort en "dubbeltagning, " du vet en sak eller två om att jämna ut i tid. En dubbeltagning - ta en andra blick, att verifiera din första — är bara ett lågteknologiskt sätt att kombinera två "mätningar" vid olika tidpunkter, till en mätning som du kan vara mer säker på.

Utjämning i tid förvandlar denna idé till en algoritm. Principen är enkel:ta två (eller fler) bilder, överlappa dem, och genomsnittet av deras pixelvärden tillsammans. Slumpmässiga skillnader mellan bilderna försvinner så småningom, lämnar bara efter sig det som är konsekvent mellan dem.

Men när det kommer till corona, det finns ett problem:det är en dynamik, ihållande rörlig och förändrad struktur. Solmaterial rör sig alltid bort från solen för att bli solvinden. Utjämning i tid skulle skapa rörelseoskärpa – samma typ av suddighet som du ser på fotografier av rörliga föremål. Det är ett problem om ditt mål är att se fina detaljer.

För att ta bort rörelseoskärpa från solvinden, forskarna använde en ny procedur:medan de gjorde sin utjämning, de uppskattade solvindens hastighet och flyttade bilderna tillsammans med den.

För att förstå hur detta tillvägagångssätt fungerar, tänk på att ta ögonblicksbilder av motorvägen när bilar kör förbi. Om du helt enkelt överlappade dina bilder, resultatet skulle bli en stor suddig röra – för mycket har förändrats mellan varje ögonblicksbild.

Men om du kunde ta reda på trafikhastigheten och flytta dina bilder för att följa med den, plötsligt skulle detaljerna i specifika bilar bli synliga.

För DeForest och hans medförfattare, bilarna var coronas finskaliga strukturer, och motorvägstrafiken var solvinden.

Naturligtvis finns det inga hastighetsbegränsningsskyltar i corona som talar om hur snabbt saker och ting rör sig. För att ta reda på exakt hur mycket du ska flytta bilderna innan du beräknar ett genomsnitt, de tog bilderna pixel för pixel, korrelera dem med varandra för att beräkna hur lika de var. Till slut hittade de den söta platsen, där de överlappande delarna av bilderna var så lika som möjligt. Mängden skift motsvarade en genomsnittlig solvindhastighet på cirka 136 miles per sekund. Om du flyttar varje bild med det beloppet, de radade upp bilderna och jämnade ut, eller snittade dem tillsammans.

"Vi jämnade, inte bara i rymden, inte bara i tid, men i ett rörligt koordinatsystem, " DeForest sa. "Det gjorde att vi kunde skapa rörelseoskärpa som inte bestämdes av vindens hastighet, men hur snabbt dragen förändrades i vinden."

Nu hade DeForest och hans medarbetare högkvalitativa bilder av corona – och ett sätt att berätta hur mycket den förändrades över tiden.

Resultaten

Det mest överraskande fyndet var inte en specifik fysisk struktur - det var den enkla närvaron av fysisk struktur i och för sig.

Jämfört med dynamiken, turbulent inre korona, forskare hade ansett att den yttre koronan var slät och homogen. Men den jämnheten var bara en artefakt av dåligt signal-brusförhållande:

"När vi tog bort så mycket buller som möjligt, vi insåg att koronan är strukturerad, ända ner till instrumentets optiska upplösning, " sa DeForest.

Som de enskilda grässtråna du bara ser när du är på nära håll, koronans komplexa fysiska struktur avslöjades i oöverträffad detalj. Och bland den fysiska detaljen, tre nyckelfynd framkom.

Strukturen av coronal streamers

Coronal streamers—även känd som hjälmstreamers, eftersom de liknar en riddares spetsiga hjälm – är ljusa strukturer som utvecklas över områden av solen med ökad magnetisk aktivitet. Lätt observerad under solförmörkelser, magnetiska slingor på solens yta sträcks ut till spetsiga spetsar av solvinden och kan bryta ut i koronala massutkast, eller CME, de stora explosioner av materia som skjuter ut delar av solen i det omgivande rymden.

DeForest och hans medförfattares bearbetning av STEREO-observationer avslöjar att streamers i sig är mycket mer strukturerade än man tidigare trott.

"Vad vi hittade är att det inte finns något sådant som en enda streamer, "DeForest sa. "Streamerna i sig är sammansatta av otaliga fina trådar som tillsammans ger en ljusare funktion."

Alfvén-zonen

Var slutar koronan och börjar solvinden? En definition pekar på Alfvéns yta, en teoretisk gräns där solvinden börjar röra sig snabbare än vad vågor kan färdas bakåt genom den. Vid detta gränsområde, störningar som sker på en punkt längre bort i det resande solmaterialet kan aldrig röra sig bakåt tillräckligt snabbt för att nå solen.

"Material som rinner ut förbi Alfvéns yta är förlorat för solen för alltid, " sa DeForest.

Fysiker har länge trott att Alfvéns yta var just det - en yta, eller arkliknande lager där solvinden plötsligt nådde en kritisk hastighet. Men det var inte vad DeForest och kollegor hittade.

"Vad vi drar slutsatsen är att det inte finns en ren Alfvén-yta, " DeForest sa. "Det finns ett brett 'ingenmansland' eller 'Alfvén-zon' där solvinden gradvis kopplar bort från solen, snarare än en enda tydlig gräns."

Observationerna avslöjar en ojämn ram där, på ett givet avstånd från solen, viss plasma rör sig tillräckligt snabbt för att stoppa bakåtkommunikation, och närliggande bäckar är det inte. Strömmarna är tillräckligt nära, och bra nog, att blanda ihop Alfvéns naturliga gräns för att skapa en bred, delvis frånkopplat område mellan koronan och solvinden.

Ett mysterium vid 10 solradier

Men en närmare titt på koronalstrukturen väckte också nya frågor.

Tekniken som användes för att uppskatta solvindens hastighet pekade ut höjderna, eller avstånd från solens yta, där saker och ting förändrades snabbt. Och det var då laget märkte något roligt.

"Vi fann att det finns ett korrelationsminimum runt 10 solradier, " sa DeForest.

På ett avstånd av 10 solradier, även rygg mot rygg bilder slutade matcha bra. Men de blev mer lika igen på större avstånd – vilket betyder att det inte bara handlar om att komma längre bort från solen. Det är som om saker plötsligt förändras när de träffar 10 solradier.

"Det faktum att korrelationen är svagare vid 10 solradier betyder att det händer en del intressant fysik där, " sa DeForest. "Vi vet inte vad det är än, men vi vet att det kommer att bli intressant."

Vart vi går härifrån

Fynden skapar framsteg i en långvarig debatt om källan till solvindens komplexitet. Även om STEREO-observationerna inte löser frågan, teamets metodik öppnar upp för en felande länk i sol-till-sol-vind-kedjan.

"Vi ser all denna variation i solvinden precis innan den träffar jordens magnetosfär, och ett av våra mål var att fråga om det ens var möjligt att variabiliteten bildades vid solen. Det visar sig att svaret är ja, " sa Viall.

"Det låter oss för första gången verkligen undersöka anslutningen genom koronan och justera hur trassligt vi tror att magnetfältet blir i koronan kontra solvinden, " lade DeForest till.

Dessa första observationer ger också nyckelinsikter om vad NASA:s kommande Parker Solar Probe kommer att hitta, som det första uppdraget någonsin att samla in mätningar inifrån den yttre solkoronan. Den rymdfarkosten kommer att resa till ett avstånd av 8,86 solradier, rakt in i regionen där intressanta saker kan hittas. DeForest och kollegors resultat tillåter dem att göra förutsägelser om vad Parker Solar Probe kan observera i denna region.

"Vi bör förvänta oss branta fluktuationer i täthet, magnetiska fluktuationer och återkoppling överallt, och ingen väldefinierad Alfvén-yta, " sa DeForest.

Kompletterat med Parker Solar Probes in situ mätningar, algoritmer för lång exponeringsavbildning och brusreducering kommer att bli ännu mer värdefulla för vår förståelse av vår närmaste stjärna.