Forskare har kombinerat NASA-data och banbrytande bildbehandling för att få ny insikt i solstrukturerna som skapar solens flöde av höghastighets solvind, detaljerad i ny forskning publicerad idag i The Astrophysical Journal. Denna första titt på relativt små funktioner, kallad "plumelets, " skulle kunna hjälpa forskare att förstå hur och varför störningar uppstår i solvinden.

Solens magnetiska inflytande sträcker sig miljarder mil, långt förbi Plutos och planeternas omloppsbana, definieras av en drivkraft:solvinden. Detta konstanta utflöde av solmaterial bär solens magnetfält ut i rymden, där det formar miljöerna runt jorden, andra världar, och i räckhåll för det djupa rymden. Förändringar i solvinden kan skapa rymdvädereffekter som påverkar inte bara planeterna, men också mänskliga och robotforskare i hela solsystemet – och detta arbete tyder på att relativt små, tidigare outforskade egenskaper nära solens yta kan spela en avgörande roll för solvindens egenskaper.

"Detta visar vikten av småskaliga strukturer och processer på solen för att förstå det storskaliga solvind- och rymdvädersystemet, sade Vadim Uritsky, en solforskare vid Catholic University of America och NASA:s Goddard Space Flight Center, som ledde studien.

Som allt solmaterial, som består av en typ av joniserad gas som kallas plasma, solvinden styrs av magnetiska krafter. Och de magnetiska krafterna i solens atmosfär är särskilt komplexa:Solytan träs igenom med en ständigt föränderlig kombination av slutna magnetfältslingor och öppna magnetfältlinjer som sträcker sig ut i solsystemet.

Det är längs dessa öppna magnetfältslinjer som solvinden flyr från solen ut i rymden. Områden med öppet magnetfält på solen kan skapa koronala hål, fläckar med relativt låg densitet som visas som mörka fläckar i vissa ultravioletta vyer av solen. Ofta, inbäddade i dessa koronala hål finns gejsrar av solmaterial som strömmar ut från solen i dagar i taget, kallas plymer. Dessa solplymer verkar ljusa i extrema ultravioletta vyer av solen, gör dem lätta synliga för observatorier som NASA:s Solar Dynamics Observatory-satellit och andra rymdfarkoster och instrument. Som områden med särskilt tätt solmaterial i öppet magnetfält, plymer spelar en stor roll för att skapa höghastighetssolvinden – vilket betyder att deras egenskaper kan forma egenskaperna hos själva solvinden.

Med hjälp av högupplösta observationer från NASA:s Solar Dynamics Observatory-satellit, eller SDO, tillsammans med en bildbehandlingsteknik som utvecklats för detta arbete, Uritsky och medarbetare fann att dessa plymer faktiskt består av mycket mindre materialsträngar, som de kallar plumelets. Medan hela plymen sträcker sig över cirka 70, 000 mil i SDO:s bilder, bredden på varje plumeletsträng är bara några tusen mil tvärs över, allt från cirka 2, 300 mil som minst till cirka 4, 500 miles i bredd för de bredaste plymerna som observerats.

Även om tidigare arbete har antytt struktur inom solplymer, detta är första gången forskare har observerat ploméer i skarpt fokus. Teknikerna som användes för att bearbeta bilderna minskade "bruset" i solbilderna, skapa en skarpare vy som avslöjade ploméerna och deras subtila förändringar i tydliga detaljer.

Deras arbete, fokuserade på en solplym som observerades den 2-3 juli, 2016, visar att plymens ljusstyrka nästan helt kommer från de enskilda plymerna, utan mycket extra ludd mellan strukturer. Detta tyder på att plymer är mer än bara en egenskap inom det större systemet av en plym, utan snarare byggstenarna som plymer är gjorda av.

"Folk har sett struktur i och vid basen av plymer ett tag, sa Judy Karpen, en av författarna till studien och chef för Space Weather Laboratory vid Heliophysics Science Division vid NASA Goddard. "Men vi har funnit att själva plymen är en bunt av dessa tätare, flödande plymer, vilket skiljer sig mycket från bilden av plymer vi hade tidigare."

De fann också att ploméerna rör sig individuellt, var och en svänger för sig – vilket tyder på att det småskaliga beteendet hos dessa strukturer kan vara en viktig drivkraft bakom störningar i solvinden, förutom deras kollektiv, storskaligt beteende.

Söker efter plumelet-signaturer

Processerna som skapar solvinden lämnar ofta signaturer i själva solvinden - förändringar i vindens hastighet, sammansättning, temperatur, och magnetfält som kan ge ledtrådar om den underliggande fysiken på solen. Solplumelets kan också lämna sådana fingeravtryck, avslöjar mer om deras exakta roll i solvindens skapelse, även om det kan vara en egen komplex utmaning att hitta och tolka dem.

En nyckelkälla till data kommer att vara NASA:s Parker Solar Probe, som har flugit närmare solen än någon annan rymdfarkost – och når avstånd så nära som 4 miljoner miles från solytan vid slutet av sitt uppdrag – fångar högupplösta mätningar av solvinden när den svänger av solen med några månaders mellanrum. Dess iakttagelser, närmare solen och mer detaljerade än de från tidigare uppdrag, kunde avslöja plumelet-signaturer.

Faktiskt, ett av Parker Solar Probes tidiga och oväntade fynd kan vara kopplat till ploméer. Under sin första solflygförbi i november 2018, Parker Solar Probe observerade plötsliga vändningar i solvindens magnetfältsriktning, smeknamnet "switchbacks". Orsaken och den exakta karaktären av återkopplingarna är fortfarande ett mysterium för forskare, men småskaliga strukturer som plumelets skulle kunna producera liknande signaturer.

Att hitta signaturer av plomletterna i själva solvinden beror också på hur väl dessa fingeravtryck överlever sin resa bort från solen – eller om de skulle smetas ut någonstans längs de miljontals mil som de färdas från solen till våra observatorier i rymden.

Att utvärdera den frågan kommer att förlita sig på avlägsna observatorier, som ESA och NASA:s Solar Orbiter, som redan har tagit de närmaste bilderna någonsin av solen, inklusive en detaljerad vy av solytan – bilder som bara kommer att förbättras när rymdfarkosten kommer närmare solen. NASA:s kommande PUNCH-uppdrag – ledd av Craig DeForest, en av författarna på plumelets-studien kommer att studera hur solens atmosfär övergår till solvinden och kan också ge svar på denna fråga.

"PUNCH kommer direkt att observera hur solens atmosfär övergår till solvinden, ", sade Uritsky. "Detta kommer att hjälpa oss att förstå om ploméerna kan överleva när de fortplantar sig bort från solen - om de faktiskt kan injiceras i solvinden."