När NASA:s Parker Solar Probe skickade tillbaka de första observationerna från sin resa till solen, forskare hittade tecken på ett vild hav av strömmar och vågor helt olik det nära jordens rymden mycket närmare vår planet. Detta hav spetsades med vad som blev känt som switchbacks:snabba vändningar i solens magnetfält som vände riktning som en sick-zaggande bergsväg.

Forskare tror att det är en viktig del av att förstå solvinden att sätta ihop historien om switchbacks. den konstanta strömmen av laddade partiklar som strömmar från solen. Solvinden rasar genom solsystemet, forma ett enormt rymdvädersystem, som vi regelbundet studerar från olika utsiktspunkter runt solsystemet – men vi har fortfarande grundläggande frågor om hur solen initialt lyckas skjuta ut denna vindby på två miljoner mil per timme.

Solfysiker har länge vetat att solvinden finns i två varianter:den snabba vinden, som färdas runt 430 miles per sekund, och den långsamma vinden, som färdas närmare 220 miles per sekund. Den snabba vinden tenderar att komma från koronala hål, mörka fläckar på solen fulla av öppet magnetfält. Långsammare vind kommer från delar av solen där öppna och slutna magnetfält blandas. Men det finns mycket vi fortfarande måste lära oss om vad som driver solvinden, och forskare misstänker switchbacks - snabba strålar av solmaterial som peppras överallt - har ledtrådar till dess ursprung.

Sedan deras upptäckt, switchbacks har väckt en uppsjö av studier och vetenskaplig debatt när forskare försöker förklara hur de magnetiska pulserna bildas.

"Detta är den vetenskapliga processen i aktion, " sa Kelly Korreck, Heliofysikprogramforskare vid NASA:s högkvarter. "Det finns en mängd olika teorier, och när vi får mer och mer data för att testa dessa teorier, vi kommer närmare att lista ut switchbacks och deras roll i solvinden."

Magnetiska fyrverkerier

På ena sidan av debatten:en grupp forskare som tror att switchbacks härrör från en dramatisk magnetisk explosion som sker i solens atmosfär.

Tecken på vad vi nu kallar switchbacks observerades först av det gemensamma NASA-European Space Agency-uppdraget Ulysses, den första rymdfarkosten att flyga över solens poler. Men när data strömmade ner från Parker Solar Probe decennier senare, forskarna blev förvånade över att hitta så många.

När solen roterar och dess överhettade gaser väller, magnetiska fält migrerar runt vår stjärna. Vissa magnetfältslinjer är öppna, som band som viftar i vinden. Andra är stängda, med båda ändarna eller "fotpunkter" förankrade i solen, bildar slingor som går med brännhett solmaterial. En teori – som ursprungligen föreslogs 1996 baserad på Ulysses-data – tyder på att återkopplingar är resultatet av en konflikt mellan öppna och slutna magnetfält. En analys som publicerades förra året av forskarna Justin Kasper och Len Fisk från University of Michigan utforskar den 20-åriga teorin ytterligare.

När en öppen magnetfältlinje sträcker sig mot en sluten magnetslinga, de kan omkonfigureras i en process som kallas utbytesomkoppling – en explosiv omarrangering av magnetfälten som leder till en omkopplingsform. "Magnetisk återkoppling är lite som en sax och en lödpistol kombinerat till en, sa Gary Zank, en solfysiker vid University of Alabama Huntsville. Den öppna linjen snäpper fast i den slutna slingan, skära loss en het plasmaskur från slingan, medan du "limmar" de två fälten i en ny konfiguration. Det plötsliga snäppet kastar en S-formad knäck i den öppna magnetfältslinjen innan slingan återförsluts - lite som, till exempel, hur ett snabbt ryck med handen kommer att skicka en S-formad våg som färdas nerför ett rep.

Andra forskningsartiklar har tittat på hur switchbacks tar form efter fyrverkeriet av återuppkoppling. Ofta, detta innebär att bygga matematiska simuleringar, sedan jämföra de datorgenererade återkopplingarna med Parker Solar Probe-data. Om de är en nära match, fysiken som används för att skapa modellerna kan framgångsrikt hjälpa till att beskriva den verkliga fysiken för switchbacks.

Zank ledde utvecklingen av den första switchbacks-modellen. Hans modell föreslår inte en, men två magnetiska piskor föds under återuppkopplingen:En färdas ner till solytan och en zippar ut i solvinden. Som en elektrisk ledning gjord av ett knippe mindre ledningar, varje magnetslinga är gjord av många magnetfältlinjer. "Det som händer är, var och en av dessa individuella ledningar återansluts, så du producerar en hel uppsjö av switchbacks på kort tid, sa Zank.

Zank och hans team modellerade den allra första switchback Parker Solar Probe som observerades, den 6 november, 2018. Denna första modell passade observationerna bra, uppmuntra teamet att utveckla det ytterligare. Teamets resultat publicerades i The Astrophysical Journal den 26 oktober, 2020.

En annan grupp forskare, ledd av University of Maryland fysiker James Drake, kommer överens om importen av utbytesåterkoppling. Men de skiljer sig åt när det kommer till karaktären av switchbacks själva. Där andra säger att switchbacks är en kink i en magnetfältlinje, Drake och hans team föreslår att det Parker observerar är signaturen för en slags magnetisk struktur, kallas ett flussrep.

I Drakes simuleringar, kinken i fältet färdades inte särskilt långt innan den susade ut. "Magnetiska fältlinjer är som gummiband, de gillar att återgå till sin ursprungliga form, " förklarade han. Men forskarna visste att switchbacks måste vara tillräckligt stabila för att kunna resa ut till där Parker Solar Probe kunde se dem. Å andra sidan, flusslinor – som tros vara kärnkomponenterna i många solutbrott – är robustare. Föreställ dig en magnetisk randig godiskäpp. Det är ett fluxrep:remsor av magnetfält lindade runt ett knippe av mer magnetfält.

Drake och hans team tror att flusslinor kan vara en viktig del av att förklara switchbacks, eftersom de borde vara tillräckligt stabila för att resa ut till där Parker Solar Probe observerade dem. Deras studie - publicerad i Astronomi och astrofysik den 8 oktober, 2020 – lägger grunden för att bygga en flussrepbaserad modell för att beskriva ursprunget till switchbacks.

Vad dessa forskare har gemensamt är att de tror att magnetisk återkoppling inte bara kan förklara hur återkopplingar bildas, men också hur solvinden värms upp och slängs ut från solen. Särskilt, switchbacks är kopplade till den långsamma solvinden. Varje switchback skjuter en klocka varm plasma ut i rymden. "Så vi frågar, "Om du lägger ihop alla dessa skurar, kan de bidra till genereringen av solvinden?'" sa Drake.

Går med strömmen

På andra sidan av debatten finns forskare som tror att omkopplingar bildas i solvinden, som en biprodukt av turbulenta krafter som rör upp den.

Jonathan Squire, rymdfysiker vid Nya Zeelands universitet i Otago, är en av dem. Med hjälp av datorsimuleringar, han studerade hur små fluktuationer i solvinden utvecklades över tiden. "Vad vi gör är att försöka följa ett litet paket plasma när det rör sig utåt, " sa Squire.

Varje paket med solvind expanderar när den flyr från solen, blåser upp som en ballong. Vågor som böljar över solen skapar små ringar i plasman, krusningar som gradvis växer i takt med att solvinden sprider sig.

"De börjar först som vickar, men det vi ser är när de växer ännu längre, de förvandlas till switchbacks, " Sa Squire. "Det är därför vi tycker att det är en ganska övertygande idé - det hände bara av sig självt i modellen." Teamet behövde inte inkludera några gissningar om ny fysik i sina modeller - switchbackarna dök upp baserat på ganska överenskomna- på solvetenskap.

Squires modell, publicerad den 26 februari, 2020, föreslår switchbacks bildas naturligt när solvinden expanderar i rymden. Delar av solvinden som expanderar snabbare, han förutspår, borde också ha fler switchbacks – en förutsägelse som redan kan testas med den senaste Parker-datauppsättningen.

Andra forskare är överens om att återkopplingar börjar i solvinden, men misstänker att de bildas när snabba och långsamma strömmar av solvindar skaver mot varandra. En studie från oktober 2020, leds av Dave Ruffolo vid Mahidol University i Bangkok, Thailand, beskrev denna idé.

Bill Matthaeus, en medförfattare på pappers- och rymdfysikern vid University of Delaware i Newark, pekar på klippningen vid gränsen mellan snabba och långsamma strömmar. Denna klippning mellan snabbt och långsamt skapar karakteristiska virvlar som ses överallt i naturen, som virvlarna som bildas när flodvatten rinner runt en sten. Deras modeller tyder på att dessa virvlar i slutändan blir switchbacks, lockar tillbaka magnetfältslinjerna på sig själva.

Men virvlarna bildas inte omedelbart – solvinden måste röra sig ganska snabbt innan den kan böja sina annars stela magnetfältslinjer. Solvinden når denna hastighet cirka 8,5 miljoner miles från solen. Mattheaus nyckelförutsägelse är att när Parker kommer betydligt närmare solen än så - vilket borde hända under dess nästa närpass 6,5 miljoner miles från solen, den 29 april, 2021 – switchbacks borde försvinna.

"Om detta är ursprunget, sedan när Parker flyttar in i den nedre koronan kan denna klippning inte ske, " Sa Mattheaus. "Så, de switchbacks som orsakas av fenomenet vi beskriver borde försvinna."

En aspekt av switchbacks som dessa solvindsmodeller ännu inte framgångsrikt har simulerat är det faktum att de tenderar att vara starkare när de vrider sig i en viss riktning - samma riktning för solens rotation. Dock, båda simuleringarna skapades med en sol som var stilla, inte roterar, vilket kan göra skillnaden. För dessa modellerare, att införliva den faktiska rotationen av solen är nästa steg.

Vrider sig i vinden

Till sist, vissa forskare tror att återkopplingar härrör från båda processerna, börjar med återkoppling eller fotpunktsrörelse vid solen men växer först till sin slutliga form när de kommer ut i solvinden. En tidning publicerad idag av Nathan Schwadron och David McComas, rymdfysiker vid University of New Hampshire och Princeton University, respektive, antar detta tillvägagångssätt, argumenterar för att switchbacks bildas när strömmar av snabb och långsam solvind omvandlar till sina rötter.

Efter denna omställning hamnar snabb vind "bakom" långsam vind, på samma magnetfältslinje. (Föreställ dig en grupp joggare på en racerbana, Olympiska sprinters i hälarna.) Detta kan hända i alla fall där långsam och snabb vind möts, men framför allt vid gränserna för koronala hål, där snabb solvind föds. När koronala hål migrerar över solen, scoting under strömmar av långsammare solvind, fotpunkten från den långsamma solvinden pluggar in i en källa för snabb vind. Snabb solvind rasar efter den långsammare strömmen framför sig. Så småningom tar den snabba vinden om den långsammare vinden, invertering av magnetfältslinjen och bildande av en switchback.

Schwadron tror att rörelsen av koronala hål och solvindkällor över solen också är en viktig pusselbit. Återanslutning vid framkanten av koronala hål, han föreslår, skulle kunna förklara varför switchbacks tenderar att "zig" på ett sätt som är i linje med solens rotation.

"Det faktum att dessa är inriktade på det här speciella sättet säger oss något mycket grundläggande, " sa Schwadron.

Även om det börjar med solen, Schwadron och McComas tror att de återanslutande strömmarna bara blir switchbacks inom solvinden, där solens magnetfältslinjer är tillräckligt flexibla för att dubbla tillbaka på sig själva.

När Parker Solar Probe sveper närmare och närmare solen, forskare kommer ivrigt att leta efter ledtrådar som kommer att stödja - eller avfärda - deras teorier. "Det finns olika idéer som flyter runt, sade Zank. Så småningom kommer något att lösa sig.