Med data från sin närmaste pass av solen hittills har rymdfarkosten ESA/NASA Solar Orbiter hittat övertygande ledtrådar om ursprunget till magnetiska switchbacks och pekar på hur deras fysiska bildningsmekanism kan hjälpa till att accelerera solvinden.

Solar Orbiter har gjort den första fjärranalysobservationen någonsin som överensstämmer med ett magnetiskt fenomen som kallas en solomkoppling – plötsliga och stora avböjningar av solvindens magnetfält. Den nya observationen ger en fullständig bild av strukturen, i detta fall bekräftar den att den har en S-formad karaktär, som förutspått. Dessutom indikerar det globala perspektivet från Solar Orbiter-data att dessa snabbt föränderliga magnetfält kan ha sitt ursprung nära solens yta.

Medan ett antal rymdskepp har flugit genom dessa förbryllande regioner tidigare, tillåter in situ-data endast en mätning vid en enda punkt och tidpunkt. Följaktligen måste strukturen och formen på switchbacken härledas från plasma- och magnetfältsegenskaper som mäts vid en punkt.

När de tysk-amerikanska rymdfarkosterna Helios 1 och 2 flög nära solen i mitten av 1970-talet, registrerade båda sonderna plötsliga omkastningar av solens magnetfält. Dessa mystiska vändningar var alltid abrupta och alltid tillfälliga, och varade från några sekunder till ett antal timmar innan magnetfältet bytte tillbaka till sin ursprungliga riktning.

Dessa magnetiska strukturer undersöktes också på mycket större avstånd från solen av rymdfarkosten Ulysses i slutet av 1990-talet. Istället för en tredjedel av jordens omloppsradie från solen, där Helios-uppdragen gjorde sitt närmaste pass, opererade Ulysses mestadels utanför jordens omloppsbana.

Deras antal steg dramatiskt med ankomsten av NASA:s Parker Solar Probe 2018. Detta indikerade tydligt att de plötsliga magnetfältsvängningarna är fler nära solen, och ledde till förslaget att de orsakades av S-formade veck i magnetfältet . Detta förbryllande beteende gav fenomenet namnet switchbacks. Ett antal idéer föreslogs om hur dessa skulle kunna bildas.

Den 25 mars 2022 var Solar Orbiter bara en dag bort från ett nära pass av solen – vilket förde den in i planeten Merkurius omloppsbana – och dess Metis-instrument tog data. Metis blockerar det starka ljusskenet från solens yta och tar bilder av solens yttre atmosfär, känd som korona. Partiklarna i koronan är elektriskt laddade och följer solens magnetfältslinjer ut i rymden. De elektriskt laddade partiklarna i sig kallas plasma.

Runt 20:39 UT spelade Metis in en bild av solkoronan som visade en förvrängd S-formad kink i koronalplasman. För Daniele Telloni, National Institute for Astrophysics–Astrophysical Observatory i Torino, Italien, såg det misstänkt ut som en solomkoppling.

Genom att jämföra Metis-bilden, som hade tagits i synligt ljus, med en samtidig bild tagen av Solar Orbiters Extreme Ultraviolet Imager (EUI) instrument, såg han att kandidatomställningen ägde rum ovanför en aktiv region katalogiserad som AR 12972. Aktiva regioner är förknippas med solfläckar och magnetisk aktivitet. Ytterligare analys av Metis-data visade att hastigheten på plasmat ovanför denna region var mycket långsam, vilket man kan förvänta sig från en aktiv region som ännu inte har frigjort sin lagrade energi.

Daniele trodde omedelbart att detta liknade en genererande mekanism för de switchbacks som föreslagits av professor Gary Zank, University of Alabama i Huntsville, USA. Teorin tittade på hur olika magnetiska områden nära solens yta interagerar med varandra.

Nära solen, och särskilt ovanför aktiva områden, finns öppna och slutna magnetfältslinjer. De slutna linjerna är slingor av magnetism som bågar sig upp i solatmosfären innan de kröker sig runt och försvinner tillbaka in i solen. Mycket lite plasma kan fly ut i rymden ovanför dessa fältlinjer och därför tenderar solvindens hastighet att vara långsam här. Öppna fältlinjer är det omvända, de kommer från solen och ansluter till det interplanetära magnetfältet i solsystemet. De är magnetiska motorvägar längs vilka plasman kan flöda fritt och ge upphov till den snabba solvinden.

Daniele och Gary bevisade att switchbacks inträffar när det finns en interaktion mellan en region med öppna fältlinjer och en region med slutna fältlinjer. När fältlinjerna tränger ihop sig kan de återansluta till mer stabila konfigurationer. Snarare som att knäcka en piska frigör detta energi och sätter igång en S-formad störning ut i rymden, som ett passerande rymdskepp skulle spela in som en omkoppling.

Enligt Gary Zank, som föreslog en av teorierna för uppkomsten av switchbacks, "föreslog den första bilden från Metis som Daniele visade nästan omedelbart de tecknade serierna som vi hade ritat när vi utvecklade den matematiska modellen för en switchback. Naturligtvis Den första bilden var bara en ögonblicksbild och vi var tvungna att dämpa vår entusiasm tills vi hade använt den utmärkta Metis-täckningen för att extrahera tidsinformation och göra en mer detaljerad spektralanalys av själva bilderna. Resultaten visade sig vara helt spektakulära."

Tillsammans med ett team av andra forskare byggde de en datormodell av beteendet och fann att deras resultat hade en slående likhet med Metis-bilden, särskilt efter att de inkluderade beräkningar för hur strukturen skulle förlängas under dess fortplantning utåt genom solkoronan .

"Jag skulle säga att den här första bilden av en magnetisk switchback i solkoronan har avslöjat mysteriet med deras ursprung", säger Daniele, vars resultat publiceras i en artikel i The Astrophysical Journal Letters .

För att förstå switchbacks kan solfysiker också ta ett steg mot att förstå detaljerna om hur solvinden accelereras och värms bort från solen. Detta beror på att när rymdfarkoster flyger genom switchbacks, registrerar de ofta en lokal acceleration av solvinden.

"Nästa steg är att försöka statistiskt koppla switchbacks observerade in situ med deras källregioner på solen", säger Daniele. Med andra ord, att låta ett rymdskepp flyga genom den magnetiska omkastningen och kunna se vad som har hänt på solytan. Det här är exakt den typ av länkvetenskap som Solar Orbiter designades för att göra, men det betyder inte nödvändigtvis att Solar Orbiter behöver flyga genom switchbacken. Det kan vara en annan rymdfarkost, som Parker Solar Probe. Så länge in-situ-data och fjärranalysdata är samtidiga kan Daniele utföra korrelationen.

"Det här är precis den sortens resultat vi hoppades på med Solar Orbiter", säger Daniel Müller, ESA Project Scientist för Solar Orbiter. "För varje omloppsbana får vi mer data från vår svit med tio instrument. Baserat på resultat som detta kommer vi att finjustera de observationer som planeras för Solar Orbiters nästa solmöte för att förstå hur solen ansluter till den bredare magnetiska kretsen. miljön i solsystemet. Detta var Solar Orbiters allra första nära pass till solen, så vi förväntar oss att många fler spännande resultat kommer."

Solar Orbiters nästa nära pass av solen – återigen inom Merkurius omloppsbana på ett avstånd av 0,29 gånger avståndet mellan jorden och solen – kommer att äga rum den 13 oktober. Tidigare denna månad, den 4 september, gjorde Solar Orbiter en tyngdkraftsassistans vid Venus för att justera sin bana runt solen; efterföljande Venus förbiflygningar kommer att börja öka lutningen av rymdfarkostens omloppsbana för att komma åt högre latitud – mer polära – områden av solen.

En närbild av Solar Orbiter Metis-data som förvandlats till en film visar utvecklingen av switchback. Sekvensen representerar cirka 33 minuters data tagna den 25 mars 2022. Den ljusa strukturen bildas samtidigt som den fortplantar sig utåt från solen. När den når sin fulla utveckling böjer den sig tillbaka mot sig själv och får den förvrängda S-formen som är karakteristisk för en magnetisk switchback. Strukturen expanderar med en hastighet av 80 km/s men hela strukturen rör sig inte med denna hastighet. Istället töjs och förvrängs. Detta är första gången en magnetisk switchback någonsin har observerats på distans. Alla andra upptäckter har skett när rymdfarkoster har flugit genom dessa störda magnetiska områden. + Utforska vidare

Solar Orbiters bilder av solen är precis så dramatiska som du hoppades