Satellitter i parløp løser solas siste gåter

Flere milliarder tonn glovarm gass slynges ut av sola, med kurs mot jorda. Gassboblen er større enn 30 jordkloder og full av partikler med elektrisk ladning. På et øyeblikk kan de sende satellitter ut av kurs og ødelegge strømnettet på jorda.

Solutbruddet 23. juli 2012 var det kraftigste på 150 år, men heldigvis passerte det forbi oss. Hvis gassen hadde blitt skutt av sted bare en uke tidligere, ville vi blitt truffet.

Skadene kunne ha vært katastrofale. Ifølge forskere ville det i verste fall tatt mellom fire og ti år å rette opp skadene.

Siden den gang har solas naturlige aktivitet vært fallende, og det har dermed vært færre store solutbrudd.

Men fra 2020 stiger aktiviteten igjen. Derfor sender den europeiske romfartsorganisasjonen, ESA, i februar opp solsatellitten Solar Orbiter for å studere utbruddene i detalj.

ESA håper at Orbiter, i samarbeid med teleskoper og andre romsonder, kan bane vei for et system som varsler om angrepene fra sola.

Tett bane gir Orbiter høy fart

Etter at den blir skutt opp fra den amerikanske rombasen Cape Canaveral, drar Solar Orbiter ut på en to år lang reise. Via to svippturer omkring Venus og jorda kommer sonden nærmere og nærmere sola.

Formålet med prosjektet er å finne en forklaring på hvordan magnetfelt og partikler påvirker solas atmosfære, koronaen.

Dermed vil astronomer kunne forstå hele heliosfæren – den beskyttende boblen av partikler sola sender ut, som omslutter hele solsystemet.

Mange av prosessene i sola er skjult for oss fordi sola roterer, så halvparten av overflaten vender til enhver tid feil vei.

Solar Orbiter kan imidlertid sveve over sola som et helikopter. Dermed kan den observere det samme punktet på overflaten gjennom en uke av gangen.

En forutsetning for dette er at Orbiter kan legge seg i en avlang bane bare 42 millioner kilometer fra stjernen, altså nærmere enn Merkur.

Solas gravitasjonsfelt vil gi Orbiter en fart på 7200 km/t, noe som svarer til solas egen rotasjonshastighet.

Den enestående evnen gir muligheter for å følge hele forløpet av de største solutbruddene – såkalte koronamasseutbrudd – når sola slynger gasser med elektriske partikler ut i verdensrommet.

Opptakene skal bekrefte om dagens teorier og datamodellene holder vann, og slå fast hvordan og hvorfor utbruddene oppstår.

Flekker røper solutbrudd

Sola skaper en synlig advarsel om kommende solutbrudd: solflekker. Over en syklus på om lag elleve år dekker flekkene sola som mørke prikker på størrelse med jorda – noen ganger enorme flekker som brer seg over store deler av overflaten.

Siden astronomer begynte å telle solflekkene på midten av 1700-tallet, har sola vært gjennom 24 sykluser, og den neste kulminerer senest i 2026.

Ved et maksimum stiger antallet solutbrudd fra om lag ett hver femte dag til tre om dagen og mangedobler dermed jordas risiko for å bli truffet.

Flekkene oppstår i områder der solas magnetfelt er spesielt sterkt. Her blir magnetfeltets virvar av linjer viklet sammen og danner buer som bryter gjennom overflaten og rager opp i solas atmosfære, koronaen.

I de punktene der buenes bein stikker ned i stjernen, faller temperaturen fra 6000 til om lag 4500 grader. Da oppstår solflekker.

Det er i disse de fleste solutbruddene oppstår, og derfor er et av hovedformålene med Solar Orbiter-prosjektet å undersøke hvordan magnetfeltene danner løkkene.

Buer skyter ut masse

Solas magnetfelt oppstår fordi hele stjernen består av plasma – en energirik gass der atomene er delt opp i atomkjerner (med positiv ladning) og elektroner (med negativ ladning).

Når varm plasma i de ytterste 182 000 kilometerne av sola stiger opp mot overflaten, mens kjøligere plasma synker ned, skaper bevegelser mellom partikler med elektrisk ladning de magnetfeltene som stikker opp fra koronaen.

I koronaen sørger turbulens for å vri overflaten i de lange buene, slik at feltlinjene brister og gjenforenes, noe som utløser en bestemt type solutbrudd som kalles solfakler.

De er gigantiske lysglimt som kan vare i timevis og utløse en energi som svarer til eksplosjonen fra 160 milliarder tonn sprengstoff.

Når feltlinjene knekker, kan de ikke lenger holde på plasmaen som ligger inne buene.

Derfor begynner en annen type solutbrudd – koronamasseutbrudd – der plasmaen blåser ut av koronaen i 20–3000 km/s.

Noen ganger blir imidlertid ikke solfaklene etterfulgt av gigantiske solutbrudd, og astrofysikerne vet ikke hvorfor.

Derfor skal Solar Orbiter måle både de langvarige og de plutselige endringene i solas magnetfelt for å forstå de spesifikke prosessene som ligger bak de ulike solutbruddene.

Storm vil ødelegge samfunnet

Det største kjente masseutbruddet rammet jorda i 1859. Det utløste en såkalt geomagnetisk storm. De mest omfattende skadene rammet telegraflinjene, som ble satt ut av drift i en periode.

To tredjedeler av kloden opplevde stormen som nordlys som lyste opp himmelen så langt sør som Cuba og Hawaii.

I dagens høyteknologiske samfunn kan et solutbrudd bli katastrofalt – med mindre vi får på plass et varslingssystem.

Omfanget av skadene er avhengig av hvilken orientering feltlinjene i solutbruddet har.

Hvis de ligger parallelt med linjene i jordas magnetskjold, blir partiklene dirigert utenom kloden – hvis ikke, skjærer plasmaen gjennom skjoldet og sender tonnevis av partikler med elektrisk ladning inn i atmosfæren.

Utbruddet påvirker materialer som leder elektrisitet. Mekanismen er den samme som brukes i en induksjonskomfyr.

Når et stort antall partikler med elektrisk ladning trenger inn i atmosfæren, oppstår det elektromagnetiske felter som kan skape kraftig strøm i for eksempel elektriske kabler.

Det kan overbelaste satellitter, transformatorer og elektriske artikler koblet til en stikkontakt. Det kan gjøre satellitter helt ubrukelige, og store deler av verdens telenettverk kan derfor bryte sammen.

Konsekvensene av strømsammenbrudd er enda mer vidtrekkende: Klodens vannforsyning og matvareproduksjon er for eksempel fullstendig avhengig av strøm til elektriske pumper og kjølesystemer.

Det vil ta flere måneder før strømforsyningen er gjenetablert for fullt, og i mellomtiden vil samfunnet være lammet.

Solar Orbiter er derfor helt sentral for at vi kan skape et alarmsystem som kan oppdage solutbrudd som er på vei. Da blir det mulig å slå alarm når det er fare på ferde.

Ny kunnskap sikrer varsling

Dagens vakthund er Nasas Solar and Heliospheric Observatory, SOHO, som befinner seg 1,5 millioner kilometer fra jorda.

Den ser etter masseutbrudd med kurs mot jorda og kan slå alarm senest 15 timer før vi blir truffet. Det er imidlertid behov for to–tre døgn for å sikre de vitale delene av strømnettet.

Solar Orbiter kommer bare tett på sola hver femte måned og kan derfor ikke brukes som en vaktpost.

I kjølvannet av Orbiter arbeider ESA med sitt Lagrange-prosjekt, en varslingssatellitt som i 2023 skal sendes opp til et punkt i verdensrommet der den kan se sola fra siden.

Dermed vil den kunne overvåke områder som først vender mot jorda flere dager senere. Formålet er å kunne gi beskjed i god tid, altså før et solutbrudd er på vei mot oss.

Jo mer kunnskap forskerne kan skaffe seg om omstruktureringene av magnetfeltene i solas overflate, jo tidligere og mer pålitelige varslinger vil satellitten kunne gi oss.

Når Solar Orbiter blir skutt opp, markerer det første skritt fram mot en mye tryggere jord – akkurat når solas neste utbruddssesong begynner.

Spenningen fylte Nasas kontrollrom 7. november 2018, da sonden Parker Solar skulle sende et livstegn etter sin første runde rundt sola.

Turen brakte satellitten nærmere stjernen enn noe annet menneskeskapt objekt, så da en «A» ble synlig på skjermen i Johns Hopkins Applied Physics Lab i Maryland, var lettelsen til å ta og føle på.

Det var signalet sonden skulle sende hvis den var uskadet etter møtet.

Senere har Parker Solar Probe gjennomført ytterligere to runder og sendt sin første datapakke tilbake til jorda.

Hver rundtur trekker sonden tettere og nærmere stjernen. Under rundtur nummer 24 – som passende nok kommer 24. desember 2024 – vil Parker passerer sola med en avstand på bare 6,2 millioner kilometer.

Fra den posisjonen vil sonden kunne observere solas uforklarlig varme atmosfære, koronaen, og hvordan partiklene i solvinden plutselig akselererer.

I ryggen har Parker en hær av farkoster og teleskoper som skal hjelpe til med å oppklare solas siste store gåter.

Datapakke var større enn ventet

Dagens rekord for en runde rundt sola i kortest mulig avstand ble satt av sonden Helios- B, som i 1976 holdt en avstand på 44 millioner kilometer.

Det er sju ganger så langt som målet for Parker, som nå befinner seg 24 millioner kilometer fra stjernen og allerede har slått rekorden.

Parker nærmer seg gradvis ved å bremse ned ved hjelp av gravitasjonsfeltet til Venus. I sju av rundene passerer den med kort avstand til planeten.

Derfor blir rundturene kortere og kortere. Solas gravitasjonsfelt har tidligere sørget for at satellitten har satt rekord for solsystemets raskeste farkost, med en toppfart på 692 000 km/t.

Satellittens 11,5 centimeter tykke varmeskjold av karbon blir varmet opp til 1377 grader fordi sollyset her ute er 475 ganger kraftigere enn på jorda.

Skjoldet sørger for at instrumentene på sonden holder en temperatur på bare 30 grader. De første rundene rundt sola viste at alle instrumenter så langt fungerer perfekt, tross den intense varmen.

Men Parkers første datapakke var mer enn bare en test. Sonden overførte 22 GB data til jorda, noe som var over 50 prosent mer enn forskerne hadde regnet med. Nå venter omfattende analyser som kan føre til epokegjørende forskningsresultater, lenge før prosjektet når sin kulminasjon.

Instrumentet Solar Probe Cup har spesielt stor betydning, ettersom det stikker ut fra sondens skjold. Herfra kan det pansrede instrumentet måle partikler i selve koronaen direkte.

Det er det ingen andre romsonder som har hatt mulighet til.

Sonde dykker ned i solvinden

En kontinuerlig strøm av partikler med elektrisk ladning, først og fremst protoner og elektroner, strømmer ut fra den ytre delen av koronaen og ut gjennom hele solsystemet.

Hvert sekund sendes det ut mellom 1,3 og 1,9 millioner tonn partikler som til sammen utgjør fenomenet solvind.

Jordas magnetskjold sender det meste av solvinden utenom kloden, men partiklene kan av og til oppleves som nordlys.

Men på lange romreiser kan stråling fra partiklene gi astronauter kreft, og det er blant annet derfor astronomene vil forstå solvinden bedre, slik at de kan beskytte romferder til månen og Mars best mulig.

Solvinden finnes i to ulike utgaver. Den raske solvinden, med hastigheter på 750 km/s, sendes ut langs polene.

Den langsomme solvinden sendes ut fra resten av koronaen med 400–500 km/s, og den kan astronomene fortsatt ikke forklare.

I den nedre delen av koronaen holdes partiklene fast av buede magnetfelt som stikker opp fra soloverflaten, men et ukjent fenomen i den ytterste delen av koronaen sender partiklene av gårde med så høye hastigheter at verken magnetfelt eller gravitasjon kan holde på dem.

Gjennom de første rundene befinner sonden seg utenfor området der denne akselerasjonen foregår. Her måler den elektroner og protoner som nettopp har blitt skutt ut i verdensrommet.

Under senere runder kommer sonden under grensen og kan gjennomføre direkte observasjoner av prosessen som gir partiklene fart. Det kan løse gåten.

To fenomener varmer koronaen

En mulig forklaring på partiklenes høye fart kan dukke opp hvis Parker oppklarer en annen solgåte: Hvorfor koronaen er 200–500 ganger varmere enn solas overflate.

Gassen i den ytre atmosfæren holder en temperatur på en–to millioner grader, mens temperaturen på overflaten bare er på 5500 grader.

Det svarer til at temperaturen stiger etter hvert som du beveger deg vekk fra et bål. En del av forklaringen er kraftige magnetfelt i solas overflate.

Astrofysikere antar at de varmer opp partiklene i koronaen, men de vet fortsatt ikke nøyaktig hvordan.

Store solutbrudd bidrar også til oppvarmingen, men de inntreffer altfor sjelden til å varme opp hele koronaen.

Derfor skal Parker undersøke mekanismer som er under mistanke for å bidra til den mystiske oppvarmingen.

Den ene er små solfakler, kalt nanofakler, som utløses når magnetfeltets buer i solas atmosfære sprekker og blir gjenforent i en mer stabil struktur – akkurat som store solfakler.

Nanofaklene frigir under en milliarddel av varmen til en stor solfakkel, men hvis det hvert sekund oppstår en million nanofakler, kan de stå bak den høye temperaturen i koronaen.

Den andre mekanismen er magnetiske bølger som stammer fra dypt inne i sola og spruter opp gjennom koronaen, der de får magnetiske feltlinjer til å vibrere.

Svingningene får partikler i koronaen til å danne spiraler rundt linjene, og det akselererer partiklene opp til høye hastigheter og temperaturer.

Hvis magnetiske bølger er forklaringen, kan Parkers magnetiske instrumenter fange opp de svingningene som bølgene skaper.

Hvis nanofakler varmer opp koronaen, kan Parker telle de kortslutningene i feltlinjene som utløser dem.

Observasjonene kan vise om koronaen varmes opp av en eller begge de to mekanismene – og hvilken rolle oppvarmingen spiller for solvinden.

Trios samspill gir fullt overblikk

Parker får selskap når den europeiske satellitten Solar Orbiter i 2023 går i bane mellom 42 og 135 millioner kilometer fra sola.

De to sondene vil utgjøre de ytterste forpostene i et stort samspill mellom satellitter og teleskoper på bakken. Alt dette vil gi astrofysikere helt nye muligheter.

Parker kan for eksempel måle partikler når de slynges ut i verdensrommet, mens Solar Orbiter gjentar målingene lenger ute.

Observasjoner i ulike avstander kan kanskje gi informasjon om hvorfor partiklene ikke mister energi, men når jorda med nesten samme hastighet og temperatur som da de forlot koronaen.

I tillegg får de to satellittene snart hjelp fra verdens største solteleskop, Daniel K. Inouye-teleskopet på Hawaii, som innleder sine observasjoner i juni.

Teleskopet skal fotografere sola to ganger i minuttet. Dermed kan det vise detaljer på 70x70 kilometer på overflaten. Samarbeidet kan gi legge grunnlaget for at forskerne kan avsløre solas siste hemmeligheter.