Något mystiskt pågår vid solen. Trots all logik, dess atmosfär blir mycket, mycket varmare ju längre den sträcker sig från solens flammande yta.

Temperaturer i corona-den svaga, det yttersta lagret av solatmosfären – toppar uppåt 2 miljoner grader Fahrenheit, medan bara 1, 000 miles nedanför, den underliggande ytan puttrar vid ljumma 10, 000 F. Hur solen klarar av denna bedrift är fortfarande en av de största obesvarade frågorna inom astrofysik; forskare kallar det problemet med koronal uppvärmning. En ny, landmärke uppdrag, NASA:s Parker Solar Probe - planerad att starta tidigast den 11 augusti, 2018 — kommer att flyga genom själva koronan, söker ledtrådar till dess beteende och ger forskare chansen att lösa detta mysterium.

Från jorden, som vi ser det i synligt ljus, solens utseende - tyst, oföränderlig - förlitar livet och dramatiken för vår närmaste stjärna. Dess turbulenta yta skakas av utbrott och intensiva strålningsutbrott, som kastar solmaterial med otroliga hastigheter till varje hörn av solsystemet. Denna solaktivitet kan utlösa rymdväderhändelser som har potential att störa radiokommunikation, skada satelliter och astronauter, och när de är som allra svåraste, störa elnätet.

Ovanför ytan, koronan sträcker sig över miljontals miles och rullar med plasma, gaser överhettas så mycket att de separeras i ett elektriskt flöde av joner och fria elektroner. Så småningom, den fortsätter utåt som solvinden, en överljud av plasma som genomsyrar hela solsystemet. Och så, det är att människor lever bra inom den utsträckta atmosfären i vår sol. Att till fullo förstå koronan och alla dess hemligheter är att förstå inte bara stjärnan som driver livet på jorden, men också, själva utrymmet runt oss.

Ett 150 år gammalt mysterium

Det mesta av det vi vet om korona är djupt rotat i historien om totala solförmörkelser. Innan sofistikerade instrument och rymdfarkoster, det enda sättet att studera koronan från jorden var under en total förmörkelse, när månen blockerar solens ljusa ansikte, avslöjar det omgivande, dimmer corona.

Historien om problemet med koronal uppvärmning börjar med en grön spektrallinje som observerades under en totalförmörkelse 1869. Eftersom olika element avger ljus vid karakteristiska våglängder, forskare kan använda spektrometrar för att analysera ljus från solen och identifiera dess sammansättning. Men den gröna linjen som observerades 1869 motsvarade inte några kända element på jorden. Forskare trodde att de kanske hade upptäckt ett nytt element, och de kallade det koronium.

Först 70 år senare upptäckte en svensk fysiker att grundämnet för utsläppet är järn, överhettad till den grad att den joniserats 13 gånger, lämnar den med bara hälften av elektronerna i en normal järnatom. Och däri ligger problemet:Forskare beräknade att så höga joniseringsnivåer skulle kräva korontemperaturer runt 2 miljoner grader Fahrenheit - nästan 200 gånger varmare än ytan.

I årtionden, denna bedrägligt enkla gröna linje har varit solvetenskapens Mona Lisa, förvirrande forskare som inte kan förklara dess existens. Sedan källan identifierades, Vi har förstått att pusslet är ännu mer komplext än det först såg ut.

"Jag tänker på problemet med koronal uppvärmning som ett paraply som täcker ett par relaterade förvirrande problem, sa Justin Kasper, en rymdforskare vid University of Michigan i Ann Arbor. Kasper är också huvudutredare för SWEAP, förkortning för Solar Wind Electrons Alphas and Protons Investigation, en instrumentsvit ombord på Parker Solar Probe. "Först, hur blir koronan så varm så snabbt? Men den andra delen av problemet är att det inte bara börjar, det fortsätter. Och inte bara fortsätter uppvärmningen, men olika element värms upp med olika hastighet." Det är en spännande hint om vad som händer med uppvärmning i solen.

Sedan upptäckten av den heta koronan, forskare och ingenjörer har gjort ett stort arbete för att förstå dess beteende. De har utvecklat kraftfulla modeller och instrument och lanserat rymdfarkoster som tittar på solen dygnet runt. Men även de mest komplexa modellerna och högupplösta observationer kan bara delvis förklara koronal uppvärmning, och vissa teorier motsäger varandra. Det finns också problemet med att studera corona på långt håll.

Vi kan leva i solens vidsträckta atmosfär, men corona och solplasma i nära jordens rymd skiljer sig dramatiskt åt. Det tar den långsamma solvinden cirka fyra dagar att resa 93 miljoner miles och nå jorden eller rymdfarkosten som studerar den - gott om tid för den att blandas med andra partiklar som glider genom rymden och förlora sina avgörande egenskaper.

Att studera denna homogena soppa av plasma för ledtrådar till koronal uppvärmning är som att försöka studera ett bergs geologi, genom att sålla genom sediment i ett floddelta tusentals mil nedströms. Genom att resa till corona, Parker Solar Probe kommer att prova just uppvärmda partiklar, tar bort osäkerheterna i en resa på 93 miljoner mil och skickar tillbaka till jorden de mest orörda mätningarna av korona som någonsin registrerats.

"Allt vårt arbete genom åren har kulminerat till denna punkt:vi insåg att vi aldrig helt kan lösa problemet med koronal uppvärmning förrän vi skickar en sond för att göra mätningar i själva koronan, sa Nour Raouafi, Parker Solar Probe biträdande projektforskare och solfysiker vid Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory i Laurel, Maryland.

Att resa till solen är en idé som är äldre än NASA själv, men det har tagit decennier att konstruera den teknik som gör dess resa möjlig. På den tiden, forskare har bestämt exakt vilka typer av data – och motsvarande instrument – ​​de behöver för att komplettera en bild av corona och svara på de här yttersta brännande frågorna.

Förklara coronans hemligheter

Parker Solar Probe kommer att testa två huvudteorier för att förklara koronal uppvärmning. Solens yttre skikt kokar ständigt och rullar av mekanisk energi. När massiva celler av laddad plasma svänger genom solen - ungefär som distinkta bubblor rullar upp genom en kruka med kokande vatten - genererar deras vätskerörelse komplexa magnetfält som sträcker sig långt upp i korona. På något sätt, de trassliga fälten kanaliserar denna våldsamma energi in i koronan som värme – hur de gör det är vad varje teori försöker förklara.

En teori föreslår att elektromagnetiska vågor är roten till koronans extrema värme. Kanske kan den kokande rörelsen starta magnetiska vågor med en viss frekvens - kallade Alfvén -vågor - djupt inuti solen och ut i korona, som skickar laddade partiklar som snurrar och värmer atmosfären, lite som hur havsvågor trycker och accelererar surfare mot stranden.

En annan föreslår bombliknande explosioner, kallas nanoflares, över solens yta dumpar värme i solatmosfären. Liksom deras större motsvarigheter, solstormar, nanoflares tros vara resultatet av en explosiv process som kallas magnetisk återkoppling. Turbulent kokning på solen vrider och förvränger magnetfältlinjer, bygger upp stress och spänning tills de explosivt knäpper - som att bryta ett överlindat gummiband - accelererar och värmer upp partiklar i deras kölvatten.

De två teorierna utesluter inte nödvändigtvis varandra. Faktiskt, att komplicera saken, många forskare tror att båda kan vara inblandade i att värma upp koronan. Ibland, till exempel, den magnetiska återanslutningen som utlöser en nanoflare kan också starta Alfvén -vågor, som sedan värmer upp omgivande plasma.

Den andra stora frågan är, hur ofta sker dessa processer – ständigt eller i distinkta skurar? Svar som kräver en detaljnivå som vi inte har från 93 miljoner mil bort.

"Vi går nära värmen, och det finns tillfällen Parker Solar Probe kommer att samrotera, eller kretsa runt solen med samma hastighet som solen själv roterar, sa Eric Christian, en rymdforskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, och medlem av uppdragets vetenskapsteam. "Det är en viktig del av vetenskapen. Genom att sväva över samma plats, vi kommer att se utvecklingen av uppvärmning."

Att avslöja bevisen

När Parker Solar Probe anländer till koronan, hur kommer det att hjälpa forskare att särskilja om vågor eller nanoflaror driver uppvärmning? Medan rymdfarkosten bär fyra instrument sviter för en mängd olika typer av forskning, två i synnerhet kommer att få data som är användbara för att lösa mysteriet med koronal uppvärmning:FIELDS-experimentet och SWEAP.

Lantmätare av osynliga krafter, FÄLT, leds av University of California, Berkeley, mäter direkt elektriska och magnetiska fält, för att förstå chockerna, vågor och magnetiska återkopplingshändelser som värmer solvinden.

SWEAP – ledd av Harvard-Smithsonian Astrophysical Observatory i Cambridge, Massachusetts - är den kompletterande hälften av undersökningen, samla in data om själva den heta plasman. Den räknar de vanligaste partiklarna i solvinden - elektroner, protoner och heliumjoner - och mäter deras temperatur, hur snabbt de rör sig efter att de har blivit uppvärmda, och åt vilket håll.

Tillsammans, de två instrumentsviterna målar upp en bild av de elektromagnetiska fälten som antas vara ansvariga för uppvärmning, såväl som de nyss uppvärmda solpartiklarna som virvlar genom koronan. Nyckeln till deras framgång är högupplösta mätningar, kapabel att lösa interaktioner mellan vågor och partiklar på bara bråkdelar av en sekund.

Parker Solar Probe kommer att svepa inom 3,9 miljoner miles från solens yta – och även om detta avstånd kan verka stort, rymdfarkosten är välpositionerad för att upptäcka signaturer av koronal uppvärmning. "Även om magnetiska återanslutningshändelser äger rum längre ner nära solens yta, rymdfarkosten kommer att se plasman direkt efter att de inträffat, " sa Goddards solforskare Nicholeen Viall. "Vi har en chans att sticka in vår termometer mitt i koronan och se hur temperaturen stiger. Jämför det med att studera plasma som värmdes upp för fyra dagar sedan från jorden, där en hel del 3D-strukturer och tidskänslig information tvättas bort. "

Denna del av corona är helt outforskat territorium, och forskare förväntar sig sevärdheter som inte liknar något de har sett tidigare. Vissa tror att plasman där kommer att vara tunn och tunn, som cirrusmoln. Eller kanske kommer det att se ut som massiva piprensarliknande strukturer som strålar ut från solen.

"Jag är ganska säker när vi får tillbaka den första omgången av data, vi kommer att se att solvinden på lägre höjder nära solen är taggig och impulsiv, sa Stuart Bale, University of California, Berkeley, astrofysiker och FIELDS huvudforskare. "Jag skulle lägga mina pengar på att data är mycket mer spännande än vad vi ser nära jorden."

Uppgifterna är tillräckligt komplicerade - och kommer från flera instrument - att det kommer att ta forskare lite tid att sätta ihop en förklaring till koronal uppvärmning. Och eftersom solens yta inte är slät och varierar genomgående, Parker Solar Probe måste göra flera passeringar över solen för att berätta hela historien. Men forskarna är övertygade om att den har verktygen för att svara på deras frågor.

Grundtanken är att varje föreslagen mekanism för uppvärmning har sin egen distinkta signatur. Om Alfvén -vågorna är källan till coronas extrema värme, FIELDS kommer att upptäcka deras aktivitet. Eftersom tyngre joner värms upp med olika hastigheter, det verkar som om olika klasser av partiklar interagerar med dessa vågor på specifika sätt; SWEAP kommer att karakterisera deras unika interaktioner.

Om nanoflares är ansvariga, forskare förväntar sig att se jetstrålar av accelererade partiklar skjuta ut i motsatta riktningar - ett tydligt tecken på explosiv magnetisk återkoppling. Där magnetisk återkoppling sker, de bör också upptäcka hot spots där magnetfält snabbt förändras och värmer den omgivande plasma.

Upptäckter ligger framför oss

Det finns en iver och spänning som surrar bland solforskare:Parker Solar Probes uppdrag markerar en vattendelare i astrofysikens historia, och de har en verklig chans att reda ut de mysterier som har förvirrat deras område i nästan 150 år.

Genom att sätta ihop koronans inre funktioner, forskare kommer att nå en djupare förståelse av dynamiken som väcker rymdväderhändelser, utforma förhållanden i rymden nära jorden. Men tillämpningarna av denna vetenskap sträcker sig bortom solsystemet också. Solen öppnar ett fönster för att förstå andra stjärnor - särskilt de som också uppvisar solliknande uppvärmning - stjärnor som potentiellt skulle kunna främja beboeliga miljöer men som är för långt för att någonsin studera. Och att belysa plasmans grundläggande fysik skulle sannolikt kunna lära forskare en hel del om hur plasma beter sig på andra håll i universum, som i galaxhopar eller runt svarta hål.

Det är också fullt möjligt att vi inte ens har föreställt oss de största upptäckterna som kommer. Det är svårt att förutsäga hur att lösa koronal uppvärmning kommer att förändra vår förståelse av utrymmet omkring oss, men grundläggande upptäckter som denna har förmågan att förändra vetenskap och teknik för alltid. Parker Solar Probes resa tar mänsklig nyfikenhet till en aldrig tidigare sett del av solsystemet, där varje observation är en potentiell upptäckt.

"Jag är nästan säker på att vi kommer att upptäcka nya fenomen som vi inte vet något om nu, och det är väldigt spännande för oss, "Sa Raouafi." Parker Solar Probe kommer att göra historia genom att hjälpa oss att förstå koronal uppvärmning - liksom solvindacceleration och solenergiska partiklar - men jag tror att den också har potential att styra riktningen för solfysikens framtid. "