I augusti 2018, NASA:s Parker Solar Probe lanseras till rymden, snart den närmaste rymdfarkosten någonsin till solen. Med banbrytande vetenskapliga instrument för att mäta miljön runt rymdfarkosten, Parker Solar Probe har genomfört tre av 24 planerade passager genom aldrig tidigare utforskade delar av solens atmosfär, koronan. Den 4 december 2019, fyra nya artiklar i tidskriften Natur beskriv vad forskare har lärt sig av denna oöverträffade utforskning av vår stjärna – och vad de ser fram emot att lära sig härnäst.

Dessa fynd avslöjar ny information om beteendet hos materialet och partiklarna som rusar bort från solen, föra forskare närmare att svara på grundläggande frågor om vår stjärnas fysik. I strävan att skydda astronauter och teknik i rymden, informationen Parker har avslöjat om hur solen ständigt skjuter ut material och energi kommer att hjälpa forskare att skriva om de modeller vi använder för att förstå och förutsäga rymdvädret runt vår planet och förstå processen genom vilken stjärnor skapas och utvecklas.

"Denna första data från Parker avslöjar vår stjärna, solen, på nya och överraskande sätt, sa Thomas Zurbuchen, biträdande administratör för vetenskap vid NASA:s högkvarter i Washington. "Att observera solen på nära håll snarare än från ett mycket större avstånd ger oss en oöverträffad inblick i viktiga solfenomen och hur de påverkar oss på jorden, och ger oss nya insikter som är relevanta för förståelsen av aktiva stjärnor över galaxer. Det är bara början på en otroligt spännande tid för heliofysik med Parker i spetsen för nya upptäckter."

Även om det kan verka lugnt för oss här på jorden, solen är allt annat än tyst. Vår stjärna är magnetiskt aktiv, släpper lös kraftfulla ljusskurar, översvämningar av partiklar som rör sig nära ljusets hastighet och miljarder ton moln av magnetiserat material. All denna aktivitet påverkar vår planet, injicera skadliga partiklar i rymden där våra satelliter och astronauter flyger, störa kommunikations- och navigeringssignaler, och till och med – när det är intensivt – utlöser strömavbrott. Det har hänt under hela solens 5 miljarder år, och kommer att fortsätta att forma jordens och de andra planeternas öden i vårt solsystem in i framtiden.

"Solen har fascinerat mänskligheten under hela vår existens, " sa Nour E. Raouafi, projektforskare för Parker Solar Probe vid Johns Hopkins Applied Physics Laboratory i Laurel, Maryland, som byggde och sköter uppdraget åt NASA. "Vi har lärt oss mycket om vår stjärna under de senaste decennierna, men vi behövde verkligen ett uppdrag som Parker Solar Probe för att gå in i solens atmosfär. Det är bara där som vi verkligen kan lära oss detaljerna i dessa komplexa solprocesser. Och vad vi har lärt oss bara i dessa tre solbanor har förändrat mycket av det vi vet om solen."

Det som händer på solen är avgörande för att förstå hur den formar utrymmet runt oss. Det mesta av materialet som kommer ut från solen är en del av solvinden, ett kontinuerligt utflöde av solmaterial som badar hela solsystemet. Denna joniserade gas, kallas plasma, bär med sig solens magnetfält, sträcker ut den genom solsystemet i en gigantisk bubbla som sträcker sig över 10 miljarder miles.

Den dynamiska solvinden

Observerad nära jorden, solvinden är ett relativt jämnt flöde av plasma, med enstaka turbulenta tumlar. Men vid den tidpunkten har den färdats över nittio miljoner miles – och signaturerna för solens exakta mekanismer för att värma upp och accelerera solvinden är utplånade. Närmare solvindens källa, Parker Solar Probe såg en mycket annorlunda bild:en komplicerad, aktivt system.

"Komplexiteten var häpnadsväckande när vi först började titta på data, sa Stuart Bale, University of California, Berkeley, ledning för Parker Solar Probes FIELDS-instrumentsvit, som studerar skalan och formen av elektriska och magnetiska fält. "Nu, Jag har vant mig vid det. Men när jag visar kollegor för första gången, de är bara blåsta bort." Från Parkers utsiktspunkt 15 miljoner miles från solen, Bale förklarade, solvinden är mycket mer impulsiv och instabil än vad vi ser nära jorden.

Som solen själv, solvinden består av plasma, där negativt laddade elektroner har separerats från positivt laddade joner, skapa ett hav av fritt flytande partiklar med individuell elektrisk laddning. Dessa fritt svävande partiklar betyder att plasma bär elektriska och magnetiska fält, och förändringar i plasman gör ofta märken på dessa fält. FIELDS-instrumenten övervakade solvindens tillstånd genom att mäta och noggrant analysera hur de elektriska och magnetiska fälten runt rymdfarkosten förändrades över tiden, tillsammans med mätning av vågor i den närliggande plasman.

Dessa mätningar visade snabba vändningar i magnetfältet och plötsliga, snabbare rörliga materialstrålar – alla egenskaper som gör solvinden mer turbulent. Dessa detaljer är nyckeln till att förstå hur vinden sprider energi när den strömmar bort från solen och genom hela solsystemet.

Särskilt en typ av händelse lockade vetenskapsteamen:vändningar i magnetfältets riktning, som rinner ut från solen, inbäddad i solvinden. Dessa reverseringar – kallade "switchbacks" – varar allt från några sekunder till flera minuter när de flyter över Parker Solar Probe. Under en omställning, magnetfältet piskar tillbaka på sig självt tills det pekar nästan rakt tillbaka mot solen. Tillsammans, FÄLTAR och SVEAP, solblåsinstrumentsviten som leds av University of Michigan och förvaltas av Smithsonian Astrophysical Observatory, uppmätta kluster av switchbacks under Parker Solar Probes första två förbiflygningar.

"Vågor har setts i solvinden från början av rymdåldern, och vi antog att närmare solen skulle vågorna bli starkare, men vi förväntade oss inte att se dem organisera sig i dessa koherenta strukturerade hastighetsspikar, sa Justin Kasper, huvudutredare för SWEAP – förkortning för Solar Wind Electrons Alphas and Protons – vid University of Michigan i Ann Arbor. "Vi upptäcker rester av strukturer från solen som slungas ut i rymden och våldsamt förändrar organisationen av flödena och magnetfältet. Detta kommer dramatiskt att förändra våra teorier om hur korona och solvinden värms upp."

Den exakta källan till återkopplingarna är ännu inte förstått, men Parker Solar Probes mätningar har gjort det möjligt för forskare att begränsa möjligheterna.

Bland de många partiklar som ständigt strömmar från solen finns en konstant stråle av snabbt rörliga elektroner, som rider längs solens magnetfältslinjer ut i solsystemet. Dessa elektroner flyter alltid strikt längs formen av fältlinjerna som rör sig ut från solen, oavsett om magnetfältets nordpol i just det området pekar mot eller bort från solen. Men Parker Solar Probe mätte detta flöde av elektroner som gick i motsatt riktning, vänder sig tillbaka mot solen – vilket visar att själva magnetfältet måste böjas tillbaka mot solen, snarare än att Parker Solar Probe bara stöter på en annan magnetfältlinje från solen som pekar i motsatt riktning. Detta tyder på att omkopplingarna är kinks i magnetfältet - lokaliserade störningar som reser bort från solen, snarare än en förändring i magnetfältet när det kommer ut från solen.

Parker Solar Probes observationer av switchbacks tyder på att dessa händelser kommer att bli ännu vanligare när rymdfarkosten kommer närmare solen. Uppdragets nästa solmöte den 29 januari, 2020, kommer att bära rymdfarkosten närmare solen än någonsin tidigare, och kan kasta nytt ljus över denna process. Sådan information hjälper inte bara att förändra vår förståelse av vad som orsakar solvinden och rymdvädret runt oss, det hjälper oss också att förstå en grundläggande process för hur stjärnor fungerar och hur de släpper ut energi till sin miljö.

Den roterande solvinden

Några av Parker Solar Probes mätningar för forskare närmare svaren på decennier gamla frågor. En sådan fråga handlar om hur, exakt, solvinden strömmar ut från solen.

Nära jorden, vi ser solvinden strömma nästan radiellt – vilket betyder att den strömmar direkt från solen, rakt ut åt alla håll. Men solen roterar när den släpper ut solvinden; innan det går loss, solvinden snurrade med den. Det här är lite som barn som åker på en lekplatskarusell – atmosfären roterar med solen ungefär som den yttre delen av karusellen roterar, men ju längre du kommer från centrum, ju snabbare du rör dig i rymden. Ett barn på kanten kan hoppa av och vid det tillfället, rör sig i en rak linje utåt, istället för att fortsätta rotera. På ett liknande sätt, det finns någon punkt mellan solen och jorden, solvinden övergår från att rotera tillsammans med solen till att strömma direkt utåt, eller radiellt, som vi ser från jorden.

Exakt var solvinden övergår från ett rotationsflöde till ett perfekt radiellt flöde har konsekvenser för hur solen släpper ut energi. Att hitta den punkten kan hjälpa oss att bättre förstå andra stjärnors livscykel eller bildandet av protoplanetära skivor, de täta skivorna av gas och damm runt unga stjärnor som så småningom smälter samman till planeter.

Nu, för första gången – i stället för att bara se det raka flödet som vi ser nära jorden – kunde Parker Solar Probe observera solvinden medan den fortfarande roterade. Det är som om Parker Solar Probe fick en bild av den virvlande karusellen direkt för första gången, inte bara barnen som hoppar av den. Parker Solar Probes solvindinstrument upptäckte rotation som började mer än 20 miljoner miles från solen, och när Parker närmade sig sin perihelionpunkt, rotationshastigheten ökade. Styrkan i cirkulationen var starkare än många forskare hade förutspått, men det övergick också snabbare än förutspått till ett utåtriktat flöde, vilket är det som hjälper till att maskera dessa effekter från där vi vanligtvis sitter, cirka 93 miljoner miles från solen.

"Det stora rotationsflödet av solvinden som sågs under de första mötena har varit en riktig överraskning, ", sa Kasper. "Medan vi hoppades att så småningom se rotationsrörelse närmare solen, de höga hastigheterna vi ser i dessa första möten är nästan tio gånger större än vad som förutspås av standardmodellerna."

Damm nära solen

En annan fråga som närmar sig ett svar är den svårfångade dammfria zonen. Vårt solsystem är översvämmat av damm - de kosmiska smulorna av kollisioner som bildade planeter, asteroider, kometer och andra himlakroppar för miljarder år sedan. Forskare har länge misstänkt att nära solen, detta damm skulle värmas upp till höga temperaturer av kraftigt solljus, förvandla den till en gas och skapa ett dammfritt område runt solen. Men ingen hade någonsin observerat det.

För första gången, Parker Solar Probes bildapparater såg det kosmiska dammet börja tunna ut. Eftersom WISPR—Parker Solar Probes bildinstrument, leds av Naval Research Lab – tittar ut på sidan av rymdfarkosten, it can see wide swaths of the corona and solar wind, including regions closer to the Sun. These images show dust starting to thin a little over 7 million miles from the Sun, and this decrease in dust continues steadily to the current limits of WISPR's measurements at a little over 4 million miles from the Sun.

"This dust-free zone was predicted decades ago, but has never been seen before, " said Russ Howard, principal investigator for the WISPR suite—short for Wide-field Imager for Solar Probe—at the Naval Research Laboratory in Washington, D.C. "We are now seeing what's happening to the dust near the Sun."

At the rate of thinning, scientists expect to see a truly dust-free zone starting a little more than 2-3 million miles from the Sun—meaning Parker Solar Probe could observe the dust-free zone as early as 2020, when its sixth flyby of the Sun will carry it closer to our star than ever before.

Putting space weather under a microscope

Parker Solar Probe's measurements have given us a new perspective on two types of space weather events:energetic particle storms and coronal mass ejections.

Tiny particles—both electrons and ions—are accelerated by solar activity, creating storms of energetic particles. Events on the Sun can send these particles rocketing out into the solar system at nearly the speed of light, meaning they reach Earth in under half an hour and can impact other worlds on similarly short time scales. These particles carry a lot of energy, so they can damage spacecraft electronics and even endanger astronauts, especially those in deep space, outside the protection of Earth's magnetic field—and the short warning time for such particles makes them difficult to avoid.

Understanding exactly how these particles are accelerated to such high speeds is crucial. But even though they zip to Earth in as little as a few minutes, that's still enough time for the particles to lose the signatures of the processes that accelerated them in the first place. By whipping around the Sun at just a few million miles away, Parker Solar Probe can measure these particles just after they've left the Sun, shedding new light on how they are released.

Redan, Parker Solar Probe's ISʘIS instruments, led by Princeton University, have measured several never-before-seen energetic particle events—events so small that all trace of them is lost before they reach Earth or any of our near-Earth satellites. These instruments have also measured a rare type of particle burst with a particularly high number of heavier elements—suggesting that both types of events may be more common than scientists previously thought.

"It's amazing—even at solar minimum conditions, the Sun produces many more tiny energetic particle events than we ever thought, " said David McComas, principal investigator for the Integrated Science Investigation of the Sun suite, or ISʘIS, at Princeton University in New Jersey. "These measurements will help us unravel the sources, acceleration, and transport of solar energetic particles and ultimately better protect satellites and astronauts in the future."

Data from the WISPR instruments also provided unprecedented detail on structures in the corona and solar wind—including coronal mass ejections, billion-ton clouds of solar material that the Sun sends hurtling out into the solar system. CMEs can trigger a range of effects on Earth and other worlds, from sparking auroras to inducing electric currents that can damage power grids and pipelines. WISPR's unique perspective, looking alongside such events as they travel away from the Sun, has already shed new light on the range of events our star can unleash.

"Since Parker Solar Probe was matching the Sun's rotation, we could watch the outflow of material for days and see the evolution of structures, " said Howard. "Observations near Earth have made us think that fine structures in the corona segue into a smooth flow, and we're finding out that's not true. This will help us do better modeling of how events travel between the Sun and Earth."

As Parker Solar Probe continues on its journey, it will make 21 more close approaches to the Sun at progressively closer distances, culminating in three orbits a mere 3.83 million miles from the solar surface.

"The Sun is the only star we can examine this closely, " said Nicola Fox, director of the Heliophysics Division at NASA Headquarters. "Getting data at the source is already revolutionizing our understanding of our own star and stars across the universe. Our little spacecraft is soldiering through brutal conditions to send home startling and exciting revelations."

Data from Parker Solar Probe's first two solar encounters is available to the public online.

Parker Solar Probe is part of NASA's Living with a Star program to explore aspects of the Sun-Earth system that directly affect life and society. The Living with a Star program is managed by the agency's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, for NASA's Science Mission Directorate in Washington. Johns Hopkins APL designed, built and operates the spacecraft.