Forskare har kommit ett steg närmare att identifiera det mystiska ursprunget till den "långsamma" solvinden, med hjälp av data som samlats in under rymdfarkosten Solar Orbiters första nära resa till solen.
Solvind, som kan färdas i hundratals kilometer per sekund, har fascinerat forskare i åratal, och ny forskning publicerad i Nature Astronomy , kastar äntligen ljus över hur det bildas.
Solvind beskriver det kontinuerliga utflödet av laddade plasmapartiklar från solen till rymden – med vind som färdas med över 500 km per sekund, känd som "snabb" och under 500 km per sekund beskrivs som "långsam."
När denna vind träffar jordens atmosfär kan det resultera i det fantastiska norrsken som vi känner till som norrsken. Men när större mängder plasma släpps ut, i form av en koronal massutkastning, kan det också vara farligt och orsaka betydande skador på satelliter och kommunikationssystem.
Trots årtionden av observationer är källorna och mekanismerna som frigör, accelererar och transporterar solvindsplasma bort från solen och in i vårt solsystem inte väl förstådda – särskilt den långsamma solvinden.
År 2020 lanserade European Space Agency (ESA), med stöd från NASA, uppdraget Solar Orbiter. Förutom att fånga de närmaste och mest detaljerade bilderna av solen som någonsin tagits, är ett av uppdragets huvudsyfte att mäta och länka solvinden tillbaka till dess ursprungsområde på solens yta.
Beskrivet som "det mest komplexa vetenskapliga laboratoriet som någonsin har skickats till solen", finns det tio olika vetenskapliga instrument ombord på Solar Orbiter - några in situ för att samla in och analysera prover av solvinden när den passerar rymdfarkosten, och annan fjärranalys instrument utformade för att fånga högkvalitativa bilder av aktivitet vid solens yta.
Genom att kombinera fotografiska och instrumentella data har forskare för första gången kunnat identifiera tydligare var den långsamma solvinden har sitt ursprung. Detta har hjälpt dem att fastställa hur den kan lämna solen och börja sin resa in i heliosfären – den gigantiska bubblan runt solen och dess planeter som skyddar vårt solsystem från interstellär strålning.
Dr. Steph Yardley från Northumbria University, Newcastle upon Tyne, ledde forskningen och förklarar, "Variabiliteten hos solvindströmmar som mäts in situ vid en rymdfarkost nära solen ger oss mycket information om deras källor, och även om tidigare studier har spårat ursprunget till solvinden, detta gjordes mycket närmare jorden, då denna variabilitet går förlorad.
"Eftersom Solar Orbiter färdas så nära solen kan vi fånga solvindens komplexa natur för att få en mycket tydligare bild av dess ursprung och hur denna komplexitet drivs av förändringarna i olika källregioner."
Skillnaden mellan hastigheten på den snabba och långsamma solvinden tros bero på de olika områdena av solens korona, det yttersta lagret av dess atmosfär, som de härstammar från.
Den öppna koronan hänvisar till regioner där magnetfältslinjer förankras till solen i endast ena änden och sträcker sig ut i rymden i den andra, vilket skapar en motorväg för solmaterial att fly ut i rymden. Dessa områden är svalare och tros vara källan till den snabba solvinden.
Samtidigt hänvisar den slutna koronan till områden av solen där dess magnetfältslinjer är stängda - vilket betyder att de är anslutna till solytan i båda ändar. Dessa kan ses som stora ljusa slingor som bildas över magnetiskt aktiva områden.
Ibland kommer dessa slutna magnetslingor att gå sönder, vilket ger en kort möjlighet för solmaterial att fly, på samma sätt som det gör genom öppna magnetfältlinjer, innan de återansluts och bildar en sluten slinga igen. Detta sker vanligtvis i områden där den öppna och slutna koronan möts.
Ett av syftena med Solar Orbiter är att testa en teori om att den långsamma solvinden härstammar från den slutna koronan och kan fly ut i rymden genom denna process där magnetfältslinjer bryts och återansluts.
Ett sätt som forskarteamet kunde testa denna teori var genom att mäta "sammansättningen" eller sammansättningen av solvindströmmar.
Kombinationen av tunga joner som finns i solmaterial skiljer sig beroende på varifrån det har sitt ursprung; desto varmare, stängd mot den kallare, öppna korona.
Med hjälp av instrumenten ombord på Solar Orbiter kunde teamet analysera aktiviteten som äger rum på solens yta och sedan matcha detta med solvindströmmarna som samlats upp av rymdfarkosten.
Med hjälp av bilderna av solens yta som fångats av Solar Orbiter kunde de peka ut att de långsamma vindströmmarna hade kommit från ett område där den öppna och slutna koronan möttes, vilket bevisar teorin att den långsamma vinden kan fly från stängda magnetfältslinjer genom processen att bryta och återansluta.
Som Dr. Yardley, från Northumbria Universitys forskargrupp för sol- och rymdfysik, förklarar, "Den varierande sammansättningen av solvinden uppmätt vid Solar Orbiter överensstämde med förändringen i sammansättning över källorna i koronan.
"Förändringarna i sammansättningen av de tunga jonerna tillsammans med elektronerna ger starka bevis för att variabiliteten inte bara drivs av de olika källregionerna, utan det beror också på återkopplingsprocesser som sker mellan de slutna och öppna slingorna i korona."
ESA Solar Orbiter-uppdraget är ett internationellt samarbete där forskare och institutioner från hela världen arbetar tillsammans och bidrar med specialistkunskaper och utrustning.
Daniel Müller, ESA-projektforskare för Solar Orbiter, sa:"Från början har ett centralt mål med Solar Orbiter-uppdraget varit att koppla dynamiska händelser på solen till deras inverkan på den omgivande plasmabubblan i heliosfären."
"För att uppnå detta måste vi kombinera fjärrobservationer av solen med in-situ mätningar av solvinden när den strömmar förbi rymdfarkosten. Jag är oerhört stolt över hela teamet för att de har gjort dessa komplexa mätningar framgångsrikt.
"Detta resultat bekräftar att Solar Orbiter kan göra robusta kopplingar mellan solvinden och dess källregioner på solytan. Detta var ett nyckelmål för uppdraget och öppnar vägen för oss att studera solvindens ursprung i oöverträffad detalj. "
Bland instrumenten ombord på Solar Orbiter finns Heavy Ion Sensor (HIS), som delvis utvecklats av forskare och ingenjörer från University of Michigans Space Physics Research Laboratory vid avdelningen för klimat- och rymdvetenskap och teknik. Sensorn är designad för att mäta tunga joner i solvinden, som kan användas för att avgöra varifrån solvinden kom.
"Varje region av solen kan ha en unik kombination av tunga joner, som bestämmer den kemiska sammansättningen av en ström av solvind.
"Eftersom den kemiska sammansättningen av solvinden förblir konstant när den färdas ut i solsystemet, kan vi använda dessa joner som ett fingeravtryck för att bestämma ursprunget till en specifik ström av solvinden i den nedre delen av solens atmosfär." sa Susan Lepri, professor i klimat- och rymdvetenskap och teknik vid University of Michigan och biträdande huvudutredare för Heavy Ion Sensor.
Elektronerna i solvinden mäts av ett Electron Analyzer System (EAS), utvecklat av UCL:s Mullard Space Science Laboratory, där Dr. Yardley är hedersstipendiat.
Professor Christopher Owen, från UCL, sa:"Instrumentteamen tillbringade mer än ett decennium med att designa, bygga och förbereda sina sensorer för lansering, såväl som att planera hur man bäst kan använda dem på ett samordnat sätt. Så det är mycket glädjande att nu se data som sammanställs för att avslöja vilka delar av solen som driver den långsamma solvinden och dess variation."
Proton-Alpha Sensor (PAS), som mäter vindhastighet, har designats och utvecklats av Paul Sabatier Universitys Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie i Toulouse, Frankrike.
Tillsammans utgör dessa instrument sensorsviten Solar Wind Analyzer ombord på Solar Orbiter, för vilken UCL:s professor Owen är huvudutredare.
På tal om framtida forskningsplaner, sa Dr. Yardley, "Hittills har vi bara analyserat Solar Orbiter-data på detta sätt för det här specifika intervallet. Det kommer att bli mycket intressant att titta på andra fall som använder Solar Orbiter och att också göra en jämförelse med datauppsättningar från andra närliggande uppdrag som NASA:s Parker Solar Probe."
