De Daniel K. Inouye-telescoop onthult wervels op het oppervlak van de zon die nog nooit eerder zijn gezien

De grootste zonnetelescoop ter wereld, de Daniel K. Inouye, is erin geslaagd plasmawervelingen op het oppervlak van de zon vast te leggen, een fenomeen dat, hoewel voorspeld door de wetenschap, tot nu toe onzichtbaar was vanwege zijn kleine formaat. Deze ontdekking, gedaan op 14 april 2025, geeft een nieuwe kijk op de dynamiek van de ster.

Het concept van Kelvin-Helmholtz-instabiliteit beschrijft hoe de grens tussen twee vloeistoffen die met verschillende snelheden glijden, buigt en draaikolken vormt. Deze natuurkunde, die sinds het einde van de 19e eeuw wordt begrepen, verklaart alles, van de rimpelingen in het water veroorzaakt door de wind tot de gebogen vormen van wolken.

Tientallen jaren lang hebben wetenschappers getheoretiseerd dat hetzelfde proces zou moeten plaatsvinden met zonneplasma, maar zonder de mogelijkheid om dit visueel te bevestigen. Nu heeft een team van onderzoekers onder leiding van David Kuridze en Friedrich Wöger, beiden van het National Solar Observatory, het optreden van deze wervels gevalideerd, die alomtegenwoordig blijken te zijn. De studie suggereert dat deze onthulling het begrip van hoe hitte, massa en magnetische energie zich in de atmosfeer van de zon voortplanten, opnieuw zou kunnen definiëren.

Het vermogen van ‘s werelds grootste zonnetelescoop om te observeren

De moeilijkheid bij het waarnemen van deze plasmawervelingen op de zon is altijd in verband gebracht met hun kleine formaat, wat een optische resolutie vereiste die telescopen met spiegels kleiner dan 2 meter niet konden bieden. Deze beperking verhinderde detectie gedurende een groot deel van de geschiedenis van de zonnefysica, totdat de National Science Foundation van de Verenigde Staten de Daniel K.Inouye Solar Telescope opende, een instrument van 4 meter op Hawaï en beschouwd als de grootste zonnetelescoop ter wereld, die in november 2021 in gebruik werd genomen.

In slechts drie minuten, op 14 april 2025, trainde Kuridze’s team de telescoop op een actief gebied nabij het midden van de zonneschijf. Ze namen beelden op met een golflengte van 416 nanometer, met behulp van een diagnostisch camerasysteem ontwikkeld in samenwerking tussen het National Solar Observatory en het Max Planck Institute for Solar System Research. Aanvankelijk lag de focus van de missie niet op het zoeken naar draaikolken. “Ons belangrijkste doel was om resolutie-gelimiteerde prestaties te bereiken door de diffractie van de telescoop”, legt Kuridze uit.

De diffractielimiet is het maximale detail dat de optiek van een telescoop kan vastleggen, en wordt beïnvloed door de grootte van de spiegel en de waargenomen golflengte. Dankzij een grotere spiegel en een kortere golflengte kunt u fijnere details zien. Met de spiegel van Inouye ingesteld op 4 meter probeerde het team de golflengte te optimaliseren. “We kozen voor 416 nanometer, wat zich aan de onderkant van het zichtbare spectrum bevindt, om een ​​hogere diffractielimiet en resolutie te verkrijgen,” zei Kuridze.

Wat het team bereikte ging veel verder dan een eenvoudige test. De camera maakte beelden met een snelheid van 740 frames per seconde, met belichtingen van 100 microseconden. Tweeduizend van deze frames werden vervolgens gecombineerd tot een uiteindelijk beeld met behulp van een techniek die bekend staat als blinde multi-frame deconvolutie, die de onscherpte modelleert en corrigeert die wordt veroorzaakt door de atmosfeer van de aarde na de werking van de optica van de telescoop. Het resultaat was een opname van het zonneoppervlak, met elke twee seconden een nieuw beeld en een ruimtelijke resolutie van ongeveer 19 kilometer, precies op de theoretische limiet die haalbaar is voor een spiegel van 4 meter bij deze golflengte.

“Als gevolg hiervan hebben we ongelooflijke waarnemingen gedaan, waardoor we iets ongekends konden zien”, zei Kuridze.

Identificatie en kenmerken van nieuwe zonnevortexstructuren

In het bereik van 416 nanometer wordt het zonneoppervlak gedomineerd door korrels, dit zijn convectiecellen die warmte uit het binnenste van de zon transporteren, afgewisseld door geconcentreerde bundels van intense magnetische velden. Op foto’s met een lage resolutie ziet het overgangsgebied tussen een magnetische straal en de omringende korrel er homogeen en enigszins wazig uit.

Gegevens verzameld door de Daniel K. Inouye Telescope (DKIST) presenteerden echter een heel andere realiteit. De grenzen bestaan ​​vrijwel geheel uit vortexachtige structuren en dunne, donkere strepen. Het team kon 47 van deze gebieden met wervels in het gezichtsveld van de telescoop identificeren en de afstand daartussen meten. De afstand varieerde tussen 60 en 100 kilometer, met individuele wervels met een diameter van 25 tot 170 kilometer. De kleinste gedetecteerde patronen bevonden zich precies op de resolutielimiet van 19 kilometer, wat erop wijst dat hun werkelijke minimumgrootte nog onbekend is. Door de groeisnelheid te observeren, merkten de onderzoekers op dat de wervels in minder dan een minuut in omvang kunnen verdubbelen en zich langs de grensvlakken kunnen voortplanten met snelheden tussen 0,67 en 3 kilometer per seconde.

Volgens Kuridze zou de perceptie van een waarnemer die over een van deze grenzen vliegt, afhangen van het moment van aankomst. Instabiliteit ontwikkelt zich in twee fasen. “Aanvankelijk is er een lineaire fase, waarin alles vrediger, georganiseerder, regelmatiger en mooier is”, legde hij uit. “Als je goed kijkt, lijkt het op bewegende wolken.” De vreedzame fase wordt echter gevolgd door chaos. “Op een gegeven moment evolueert alles naar een niet-lineair regime en worden de zaken complex”, voegde Kuridze eraan toe. “In principe ontstaat er turbulentie – behoorlijk chaotische turbulentie.”

De vorming van deze rimpelingen, specifiek op de grensvlakken, houdt verband met de richting van het magnetische veld. Magnetische lijnen gedragen zich als elastische draden die door het plasma gaan en vervorming tegengaan. Als deze draden zijn uitgelijnd met de stroomrichting, trekken ze aan eventuele rimpelingen op de grens, waardoor deze plat worden en voorkomen dat de instabiliteit groeit. Als de lijnen de stroming kruisen, is er echter geen belemmering voor de vorming van wervels.

In de gebieden met een intens magnetisch veld die door DKIST zijn waargenomen, steekt het magnetische veld bijna verticaal uit het oppervlak, terwijl de aangrenzende korrelvormige stromingen zijdelings bewegen. De opstelling van de filamenten is onvoldoende om de grens stabiel te houden, waardoor de spiralen zich zonder beperkingen kunnen ontwikkelen.

Wetenschappelijke bevestiging en simulaties die de verkregen gegevens valideren

Geconfronteerd met een ongekende ontdekking moesten Kuridze, Wöger en hun medewerkers ervoor zorgen dat de waarnemingen niet alleen het resultaat waren van beeldverwerking. ‘Alles wees erop dat het Kelvin-Helmholtz was, maar dat was natuurlijk niet genoeg’, zei Kuridze. “Het is essentieel om theoretisch bewijs te hebben om ervoor te zorgen dat dit fenomeen werkelijk het geval is.”

Om deze theoretische validatie te verkrijgen, voerden wetenschappers computersimulaties uit. Ze modelleerden een gebied van de fotosfeer van ongeveer 6 megameter aan een kant, op een rooster met een onderlinge afstand van 3,2 kilometer, waarbij ze als referentie een kaart van het magnetische veld van het waargenomen gebied gebruikten. Vervolgens synthetiseerden ze beelden die DKIST had moeten vastleggen bij het observeren van dit gesimuleerde gebied.

Het team berekende 500 spectrale punten binnen het onderzochte golflengtebereik, waarbij het transmissieprofiel van het echte interferentiefilter werd toegepast en het resultaat werd aangepast aan de resolutie van de telescoop. De synthetische beelden reproduceerden nauwkeurig het uiterlijk en de dynamiek van de wervels, inclusief hun groeisnelheid, distributie en voortplantingssnelheden. Dit proces leidde het team tot de conclusie dat hun observaties hoogstwaarschijnlijk authentiek zijn en dat de implicaties ervan aanzienlijk zijn.

Impact van ontdekkingen op het begrijpen van de zonneatmosfeer

Een robuust magnetisch veld houdt het plasma doorgaans in een stabiele toestand. Een zonnevlek is bijvoorbeeld een gebied waar de veldsterkte voldoende is om convectie te onderdrukken, wat resulteert in een donkerder, koeler oppervlak.

De ontdekking van een instabiliteit die wervelingen veroorzaakt aan de randen van elk magnetisch element duidt op het bestaan ​​van een schudmechanisme op plaatsen waar dit niet werd verwacht. Dit houdt in dat gemagnetiseerd en niet-gemagnetiseerd gas zich kunnen vermengen, en dat koeler materiaal van de randen van convectiecellen de magnetische gebieden kan infiltreren. Deze interactie verandert de manier waarop warmte net onder het zichtbare oppervlak wordt overgedragen, een aspect waarmee geen rekening wordt gehouden in de huidige modellen van zonneconvectie.

Een ander getroffen gebied is de zonnecorona, de buitenste laag van de zon met temperaturen van miljoenen graden. Gedeeltelijke verwarming van de corona vindt plaats als gevolg van de herschikking van magnetische veldlijnen op hun ankerpunten, die zich verstrengelen in complexe kluwen en uiteindelijk energie vrijgeven. De uitdaging was dat het exacte mechanisme achter deze herschikking nooit rechtstreeks was waargenomen. Kuridze wijst erop dat “er deze torsiebewegingen zijn over het gehele oppervlak van het magnetische element, en deze torsiebeweging is niets meer dan de verwevenheid van de magnetische velden.”

Het is echter belangrijk om te bedenken dat deze resultaten tot nu toe gebaseerd zijn op een observatievenster van slechts drie minuten – een punctueel record en geen alomvattend onderzoek – en op simulaties die nog steeds bepaalde beperkingen hebben.

Uitdagingen en toekomstige richtingen in onderzoek naar zonnevortexen

“Een van de dingen die we nog niet weten is hoe klein deze Kelvin-Helmholtz-patronen op de zon kunnen zijn”, zei Kuridze. Wat we kunnen oplossen ligt heel dicht bij de resolutielimiet van de telescoop, wat erop wijst dat zelfs kleinere patronen gemist kunnen worden. Om dit probleem te omzeilen zou een aanpak erin kunnen bestaan ​​simulaties te laten werken met een resolutie die hoger is dan wat de telescoop kan waarnemen. Het team heeft tot nu toe echter beperkt succes gehad in deze poging.

“Bij het uitvoeren van simulaties met hogere resoluties is het noodzakelijk om aanvullende natuurkundige principes op te nemen, en we weten niet helemaal zeker hoe dingen precies werken in computersimulaties als we deze resoluties willen bereiken”, legde hij uit. “Dit is een compleet nieuw gebied en vereist verder onderzoek.”

Een extra beperking houdt verband met het soort gegevens dat door DKIST wordt verzameld, dat zich voornamelijk richtte op visuele beelden met hoge resolutie. Hoewel deze beelden een goede schatting gaven van de locatie en sterkte van de magnetische velden, waren ze nog steeds een benadering. Alle kennis van het team over de werkelijke snelheid van de plasmabeweging komt uit simulaties, niet rechtstreeks uit de telescoop, en het magnetische veld dat het hele proces aanstuurt, is nog nooit rechtstreeks op deze schaal gemeten.

Het onderzoeksteam is van mening dat de meeste resterende onzekerheden kunnen worden opgelost door observaties uit te breiden tot voorbij het huidige tijdsbestek van drie minuten. “Om te kwantificeren hoe het magnetische veld in de loop van de tijd evolueert, hoeveel energie wordt gedissipeerd, hoeveel energie vrijkomt en welk energiebudget beschikbaar is voor uitbarstingen en uitbarstingen, zijn veel langere observaties en gedetailleerde magnetische kaarten nodig”, concludeerde Kuridze. “Dat is onze volgende uitdaging en onze volgende mijlpaal.”