Parker Solar Probe: deze nieuwe ruimtesonde gaat de zon aantikken

12-05-2018

Parker Solar Probe: deze nieuwe ruimtesonde gaat de zon aantikken

De ruimtesonde wordt deze zomer gelanceerd en zal dwars door de hete atmosfeer van de zon vliegen.

Onze zon bevat 99,86% van alle massa in ons zonnestelsel en toch zijn we nog nooit zo dicht bij deze gigantische massa geweest. Binnenkort gaan we een record verbreken door met de Parker Solar Probe (PSP) dichterbij dan ooit te komen. Daarnaast hopen we uiteraard op nieuwe interessante ontdekkingen over de zon!


Parker
De Park Solar Probe is vernoemd naar de wetenschapper Eugene Parker. Deze Amerikaanse astrofysicus heeft veel bijgedragen aan onze kennis over de zon en met name de zonnewind. Desondanks weten we eigenlijk nog verrassend weinig over beiden. Laten we eerst kijken wat we wel al weten.


Afbeelding: University of Florida.

De zon
De zon staat op een afstand van ongeveer 150 miljoen kilometer en met een leeftijd van 4,59 miljard jaar is ze essentieel voor ons leven op aarde. Als we astronomen moeten geloven is onze zon een vrij gemiddelde ster, op ongeveer de helft van haar leven. De zon bestaat in de buitenste lagen voor 70% uit waterstof en voor 28% uit helium. De kern bestaat voor 35% uit waterstof en 63% uit helium. De overige percentages zijn zwaardere elementen. De dichtheid en temperatuur zijn in de kern hoog genoeg voor kernfusie, zodat de zon door middel van dit proces waterstof omzet naar helium. Hiernaast zie je hoe de zon er schematisch ongeveer uitziet. De zon lijkt voor sommigen misschien op een soort grote vuurbal, maar in feite is de zon niets anders dan een gigantische bal plasma. We kennen allemaal gasvormig, vloeibaar en vast als aggretietoestanden.

Deze toestanden zijn afhankelijk van de temperatuur. Als we nu een gas nog verder verhitten, zullen de elektronen van de atomen van dit gas losraken van de kern. Fysici noemen dit ionisatie. Een verzameling van deze geïoniseerde deeltjes is niet meer elektrisch neutraal en wordt daarom ‘geladen’ genoemd. Deze deeltjes vormen samen nu een plasma. Dat de zon een bal plasma is, is niet vreemd als we kijken naar de temperaturen die zich hier bevinden. De kern van de zon heeft een temperatuur van 15,5 miljoen graden Celsius. Dit neemt af tot 6000 graden Celsius aan het oppervlak en tot ongeveer 4300 graden Celsius in de atmosfeer van de zon. Daarna gebeurt er iets opvallends in het buitenste gedeelte van de atmosfeer van de zon: de corona. In dit gedeelte wordt de temperatuur weer heel hoog. Het kan hier rond de 2 tot soms wel 20 miljoen graden Celsius zijn. Overigens kunnen we de corona op aarde waarnemen bij een zonsverduistering als de ring die nog zichtbaar blijft als de maan zich voor de zon bevindt. Vervolgens gaat de corona over in de zonnewind. Deze ‘wind’ bestaat vooral uit restproducten van waterstof en helium (elektronen, protonen en alfadeeltjes), die de ontsnappingssnelheid van de zon bereiken en daardoor het zonnestelsel ingeblazen worden.

Dit gebeurt zo frequent dat de zonnewind daarom een constante stroom is. Op aarde worden we deels afgeschermd tegen deze zonnewind door ons aardmagnetisch veld. We kunnen de zonnewind indirect waarnemen door middel van de poollichten (aurora borealis en aurora australis). Dit licht ontstaat na een interactie van de zonnewind met ons aardmagnetisch veld, waardoor er botsingen van geladen deeltjes in de hoge atmosfeer van de aarde optreden. Voor satellieten is de zonnewind ook belangrijk, want deze kan flinke verstoringen veroorzaken als de zon erg actief is.

Activiteit
De activiteit van de zon is zichtbaar door: zonnevlekken, zonnebevingen, zonnevlammen en protuberansen. Zonnevlekken nemen wij waar als zwarte vlekken op de zon. Dit zijn plekken waar veel magnetische activiteit is, waardoor het energietransport van de binnenkant naar de buitenkant wordt verhinderd. Dit resulteert in lagere oppervlakte temperaturen. Dan heb je zonnebevingen. Deze zijn vergelijkbaar met aardbevingen, maar hebben andere oorzaken. Dit wordt bestudeerd in de helioseismologie. Protuberansen zijn wolkachtige verschijnselen aan de zijkant van de zon in de atmosfeer van de zon, welke we niet direct kunnen waarnemen, maar wel met een coronograaf of een speciaal filter. Deze protuberansen bestaan uit een veel kouder plasma dan de corona. Als een protuberans uiteenvalt, kan dit een zonnevlam veroorzaken. Dit is een explosie die ontstaat als er veel energie vrijkomt, die eerst vastgehouden werd door het magnetische veld van de zon. Zo’n zonnevlam gaat vaak gepaard met een plasmawolk. Op aarde kunnen we het goed merken als er een sterke plasmawolk ons aardmagnetisch veld bereikt, aangezien de poollichten dan over een groter gebied op aarde zichtbaar zijn. Zo is het in de geschiedenis enkele keren voorgekomen dat van de polen tot aan de evenaar de poollichten zichtbaar waren.


Deze zojuist genoemde fenomenen zijn sterk afhankelijk van de 11-jarige zonnecyclus, waarin er een minimale en maximale activiteit van de zon is. Hoe actiever de zon, hoe meer zonnevlekken waarneembaar zijn en groter de kans op zonnevlammen en andere activiteit. Aangezien zonnevlekken met het blote oog waarneembaar zijn (ga nu niet in de zon kijken!), worden deze al lang door de mens bestudeerd. De oudste gedocumenteerde waarnemingen komen uit 364 v.Chr. uit China. Tussen 1826 en 1843 kon Samuel Heinrich Schwabe bevestigen dat de zon een 11-jarige cyclus doormaakt, aan de hand van zonnevlek waarnemingen. Echter houdt de zon zich niet altijd zo strikt aan deze cyclus. Soms duren cycli namelijk een stuk korter of langer. Het is daarom van belang dat we de zonneactiviteit beter leren begrijpen en daardoor beter kunnen voorspellen.

PSP
Nu komen we op het punt dat de PSP belangrijk wordt. Dit ruimtevaartuig gaat namelijk tussen 31 juli en 19 augustus 2018 gelanceerd worden vanaf Cape Canaveral Air Force Station door een Delta IV Heavy draagraket en heeft als doel ons meer te leren over de zon. Zo moet de PSP onder meer de structuur en dynamica van de magnetische velden waaruit de zonnewind ontstaat, ontrafelen. Er wordt door fysici gebruik gemaakt van de wiskunde van de magnetohydrodynamica, maar helaas is dit niet voldoende, omdat het chaotische gedrag van de zon moeilijk te vatten is. Daarom kan de PSP ons met nieuwe metingen en observaties hopelijk weer verder op weg helpen om de magnetische velden en het ontstaan van de zonnewind beter te begrijpen.

Zoals we al zeiden, zijn er in de corona enorm hoge temperaturen. Dit is al sinds de jaren veertig van de vorige eeuw bekend, maar een sluitende theorie, die beschrijft hoe dit kan, bestaat nog niet. Er wordt gedacht aan verhitting door energietransport vanuit de kern van de zon door middel van magnetohydrodynamische golven. Ook zijn er theorieën waarbij heet plasma de warmte transporteert vanuit de kern van de zon. De hoop is er dat de PSP fysici zal helpen een keuze te maken tussen de verschillende theorieën, of helpt met het opzetten van een betere/nieuwe theorie.
Een ander doel van de PSP is het begrijpen van de mechanismen die de versnelling en transport veroorzaken van deeltjes met een hoge energie. Dit soort deeltjes kunnen een sterke en vooral negatieve invloed hebben op aarde en op satellieten rond de aarde. Het is daarom goed om beter te begrijpen hoe deze deeltjes onze aarde bereiken en wat de rol en relaties precies zijn van verschillende elementen van de zonneactiviteit.


Voor het eerst vernoemt NASA een ruimtevaartuig naar een nog levende wetenschapper. Hier krijgt Eugene Parker (in het midden) uitleg over de ruimtesonde die zijn naam draagt. Afbeelding: NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory.

Instrumenten
De wetenschappelijke experimenten worden gecategoriseerd aan de hand van de volgende afkortingen: FIELDS (Fields Experiment), IS☉IS (Integrated Science Investigation Of The Sun), WISPR (Wide-field Imager for Solar PRobe) en SWEAP (Solar Wind Electrons Alphas and Protons). Met FIELDS zal PSP metingen doen aan de elektrische en magnetische velden en golven, de plasma dichtheden, de temperaturen van de elektronen en radio emissies met behulp van twee magnetometers. IS☉IS is een instrument om deeltjes, zoals protonen en zware ionen die flink versneld worden, te meten in de atmosfeer van de zon en in het binnenste gedeelte van de heliosfeer (het gebied waarin de zon invloed uitoefent). WISPR is een telescoop die simpel gezegd foto’s zal maken van de corona, het binnenste gedeelte van de heliosfeer, de zonnewind en andere fenomenen die PSP passeren. Deze foto’s kunnen dan bestudeerd worden. Dan is er nog SWEAP, waarmee de meest voorkomende deeltjes van de zonnewind (de elektronen, protonen en alfadeeltjes) bestudeerd zullen worden aan de hand van metingen van hun snelheid, dichtheid en temperatuur.


Ingewikkelde weg
Om de zon te bereiken zal de PSP een lange ingewikkelde weg afleggen. Allereerst zal het ruimtevaartuig naar Venus vliegen om daar zeven scheervluchten te doen. Op deze manier kan door middel van zwaartekrachtsslingers de PSP in de juiste richting versnellen en dichterbij de gewenste baan rond de zon te komen. De PSP zal 24 maal rond de zon vliegen en de kortste afstand tot het oppervlak van de zon zal 6.2 miljoen kilometer zijn. Daardoor is het mogelijk om voor de eerste keer door de corona heen te vliegen. De missie van de PSP zal zeker zo’n zeven jaar duren.


De PSP nadert de zon. Afbeelding: NASA / Johns Hopkins APL / Steve Gribben.

Het is een enorme uitdaging om zo dichtbij de zon te vliegen, aangezien de enorm hoge temperaturen in de nabijheid van de zon afgeweerd moeten worden. Hiervoor is een hitteschild dan ook een vereiste. Het schild van de PSP is 11.43 cm dik en gemaakt van een licht en sterk koolstofvezelcomposiet, zodat schade van hoge temperaturen tegengehouden kan worden. Op deze manier kunnen de meetinstrumenten en de computerystemen blijven functioneren. Erg belangrijk is de energievoorziening. Hiervoor wordt gebruikgemaakt van zonnepanelen. Echter, wanneer de PSP te dichtbij de zon komt, zullen deze zonnepanelen moeten worden ingetrokken, zodat ze afgeschermd worden door het hitteschild. Vervolgens worden dan een paar kleinere zonnepanelen uitgeklapt. Deze panelen hebben een speciaal ingebouwd koelsysteem, zodat ze niet oververhit raken. De nadering van PSP tot de zon zal toch niet schadeloos zijn. Naar verwachting zal straling van de zon toch zorgen voor lichte schade in het materiaal en een verslechterde werking van de elektronica. Ook zal de communicatie onderbroken worden als de PSP dichtbij de zon komt. Daarom zullen de banen heel erg elliptisch moeten zijn, zodat er ook lange perioden zijn dat de PSP ver genoeg is om bij te komen en zich op te laden met de grote zonnepanelen.

De Parker Solar Probe kan, net als Eugene Parker, onze kennis over met name de corona en de zonnewind enorm vergroten. Laten we daarom hopen dat de missie met succes gelanceerd zal worden en dat de weg naar de zon vlekkeloos zal zijn, zodat we over een tijdje weer over nieuwe inzichten over het gedrag van de zon en de zonnewind kunnen schrijven.

Jurjen de Jong (1993) is masterstudent Space Studies aan de KU Leuven. Daarvoor heeft hij een propedeuse werktuigbouwkunde in Breda, een bachelor wiskunde en een bachelor natuurkunde in Utrecht behaald en afgelopen juli een master in de wiskundige natuur-en sterrenkunde in Gent afgerond. Jurjen leest graag over de verschillende ontdekkingen ontwikkelingen op wetenschapsgebied en door er over te schrijven hoopt hij zijn kennis te delen met een groter publiek. Later hoopt hij een baan in de ruimtevaartsector te krijgen. Eerder verschenen van Jurjens hand al dit interessante artikel waarin hij uitzoekt of het nodig is dat ook de ruimtevaart groener wordt. Ook zocht hij voor Scientias.nl uit of de ruimtelift werkelijk toekomst heeft. Recent publiceerde hij ook twee artikelen over de quantumcomputer die voor een revolutie kan gaan zorgen.


Bronmateriaal:
NASA, link: http://parkersolarprobe.jhuapl.edu/, geraadpleegd op: 4/22/2018
N.J. Fox et al. (2016). “The Solar Probe Plus Mission: Humanity’s First Visit to Our Star”. Space Sci Rev 204:7-48. DOI: 10.1007/s11214-015-0211-6
A. Hanslmeier. (2007). “The Sun and Space Weather”. Springer
Afbeelding bovenaan dit artikel: Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory

(Scientias.nl)

Websites:

http://parkersolarprobe.jhuapl.edu/

https://www.nasa.gov/content/goddard/parker-solar-probe

twitter
https://twitter.com/parkersunprobe

Zou een mod deze gerelateerde topics aub kunnen toevoegen onderaan aan de OP?

W&T / [CENTRAAL] Het Astronomie Topic #11

W&T / Exo-Planeten Topic #3

W&T / [CENTRAAL] MARS - De Missies! Deel 12

W&T / Astronomie in de Achtertuin #5

W&T / Missie Rosetta: een reis naar de oorsprong van het leven #13 Goodbye

W&T / Missie Juno: een ontdekkingsreis naar Jupiter

W&T / Cassini missie // Saturnus in de picture -part 3-

W&T / Missie: Dawn. Voor het eerst in een baan rond een dwergplaneet

W&T / New Horizons: De reis naar Pluto (en verder) deel 4

W&T / Hayabusa 2 Missie: opnieuw naar een asteroïde

W&T / Zwarte gaten en dummies #2 Dement in een andere dimensie

W&T / Bestaat donkere materie wel?

W&T / [LIVE] Het grote live lanceringen topic