Pecahkan misteri kosmik berusia 65 tahun

Atmosfer luar Matahari, yang dikenal sebagai corona, terlihat meluas ke luar angkasa dalam gambar yang diambil dari instrumen Metis Solar Orbiter. Metis adalah perangkat multi-panjang gelombang, beroperasi pada panjang gelombang tampak dan ultraviolet. Ini adalah coronagraph, yang berarti menghalangi sinar matahari yang terang dari permukaan Matahari, sehingga membuat cahaya redup yang menyebarkan partikel-partikel di dalam corona terlihat. Pada gambar ini, disk fuzzy berwarna merah melambangkan corona sedangkan disk berwarna putih merupakan masker untuk mengompresi ukuran gambar guna mengurangi jumlah data yang tidak diperlukan terkait dengan downlink. Kredit gambar: tim ESA dan NASA/Solar Orbiter/METIS; Dr.. Tiloni dkk (2023)

Penyelarasan kosmik dan beberapa latihan pesawat ruang angkasa telah menghasilkan pengukuran inovatif yang membantu memecahkan misteri kosmik berusia 65 tahun tentang mengapa atmosfer matahari memanas.

Atmosfer matahari disebut corona. Ini terdiri dari gas bermuatan listrik yang dikenal sebagai plasma Suhunya sekitar satu juta derajat Celsius.

Suhunya selalu menjadi misteri karena suhu permukaan Matahari hanya berkisar 6.000 derajat Celcius. Korona seharusnya lebih dingin daripada permukaannya karena energi Matahari berasal dari tungku nuklir di intinya, dan secara alami keadaan akan menjadi lebih dingin jika semakin jauh dari sumber panas. Namun, suhu corona 150 kali lebih panas dibandingkan permukaannya.

Pasti ada cara lain untuk mentransfer energi ke plasma, tapi apa?

Teori dan tantangan penyelidikan

Turbulensi di atmosfer matahari telah lama diduga dapat menyebabkan pemanasan signifikan pada plasma di korona. Namun ketika menyelidiki fenomena ini, fisikawan surya menghadapi masalah praktis: Tidak mungkin mengumpulkan semua data yang mereka perlukan hanya dengan satu pesawat ruang angkasa.

Ada dua cara untuk mengeksplorasi Matahari: penginderaan jauh dan pengukuran in situ. Dalam penginderaan jauh, pesawat ruang angkasa diposisikan pada jarak tertentu dan kamera digunakan untuk melihat matahari dan atmosfernya pada panjang gelombang berbeda. Untuk pengukuran in situ, pesawat ruang angkasa terbang melalui area yang ingin dijelajahi dan melakukan pengukuran partikel dan medan magnet di bagian ruang tersebut.

Kedua pendekatan tersebut mempunyai kelebihannya masing-masing. Penginderaan jauh menunjukkan hasil skala besar tetapi tidak menunjukkan rincian proses yang terjadi di plasma. Sementara itu, pengukuran in-situ memberikan informasi yang sangat spesifik tentang proses skala kecil di plasma, namun tidak menunjukkan bagaimana hal ini mempengaruhi skala besar.

Investigasi ganda di pesawat ruang angkasa

Untuk mendapatkan gambaran lengkap, dibutuhkan dua pesawat luar angkasa. Dan itulah yang saat ini dimiliki oleh para ahli heliofisika dalam bentuk pesawat ruang angkasa Solar Orbiter yang dikemudikan oleh Badan Antariksa Eropa dan Parker Solar Probe milik NASA. Solar Orbiter dirancang untuk sedekat mungkin dengan Matahari dan tetap melakukan penginderaan jauh, serta pengukuran di tempat. Parker Solar Probe sebagian besar mengabaikan penginderaan jarak jauh terhadap Matahari itu sendiri agar bisa lebih dekat untuk melakukan pengukuran di lokasi.

Namun untuk memanfaatkan sepenuhnya pendekatan yang saling melengkapi, Parker Solar Probe harus berada dalam jangkauan pandang salah satu instrumen Solar Orbiter. Dengan cara ini, Solar Orbiter mampu mencatat konsekuensi skala besar dari apa yang diukur oleh Parker Solar Probe di lokasi.

Solar Orbiter milik ESA adalah salah satu dari dua pesawat ruang angkasa terintegrasi yang mempelajari Matahari dari jarak dekat: ia bergabung dengan Parker Solar Probe milik NASA, yang sudah terlibat dalam misinya. Sumber: Solar Orbiter: medialab ESA/ATG; Probe Surya Parker: NASA/Johns Hopkins APL

Koordinasi astrofisika

Daniele Telloni, peneliti di Institut Astrofisika Nasional Italia (INAF) di Observatorium Astrofisika di Turin, adalah bagian dari tim di balik instrumen Metis Solar Orbiter. Metis adalah coronagraph yang menghalangi cahaya dari permukaan Matahari dan mengambil gambar corona. Ini adalah alat yang sempurna untuk digunakan dalam pengukuran skala besar, jadi Daniele mulai mencari waktu kapan Parker Solar Probe akan dipasang.

Diketahui bahwa pada 1 Juni 2022, kedua pesawat ruang angkasa tersebut akan berada dalam konfigurasi orbit yang benar – kira-kira. Pada dasarnya, Solar Orbiter akan mengamati Matahari, dan Parker Solar Probe akan berada di samping, sangat dekat namun berada di luar bidang pandang instrumen METS.

Ketika Daniele melihat masalahnya, dia menyadari bahwa yang diperlukan untuk menyinari Parker Solar Orbiter hanyalah sedikit latihan dengan Solar Orbiter: memutarnya sebesar 45 derajat dan kemudian mengarahkannya agak menjauh dari Matahari.

Namun ketika setiap manuver misi ruang angkasa direncanakan dengan hati-hati sebelumnya, dan ketika pesawat ruang angkasa itu sendiri dirancang untuk menunjuk hanya pada arah yang sangat spesifik, terutama ketika berhadapan dengan panas matahari yang menakutkan, tidak jelas bahwa tim operasi pesawat ruang angkasa akan mengizinkan manuver semacam itu. . deviasi. Namun, setelah semua orang paham tentang potensi keuntungan ilmiah, keputusannya jelas “ya”.

Misi Solar Orbiter ESA akan menghadapi Matahari dari dalam orbit Merkurius pada jarak terdekatnya. Sumber: medialab ESA/ATG

Retas catatan

Kemudi roll dan offset dilanjutkan; Parker Solar Probe memasuki bidang pandang, dan bersama-sama pesawat ruang angkasa tersebut menghasilkan pengukuran simultan pertama kalinya terhadap komposisi skala besar korona matahari dan sifat mikrofisika plasma.

“Pekerjaan ini merupakan hasil kontribusi banyak orang,” kata Daniele, yang memimpin analisis kumpulan data. Melalui kerja sama, mereka mampu membuat observasi gabungan pertama dan memperkirakan laju pemanasan koronal secara in-situ.

“Kemampuan menggunakan Solar Orbiter dan Parker Solar Probe telah membuka dimensi baru dalam penelitian ini,” kata Gary Zank, dari Universitas Alabama di Huntsville, AS, dan salah satu penulis makalah yang dihasilkan.

Dengan membandingkan laju pengukuran baru dengan prediksi teoretis yang dibuat oleh fisikawan matahari selama bertahun-tahun, Daniel menunjukkan bahwa fisikawan matahari secara kasar benar dalam mengidentifikasi turbulensi sebagai sarana transfer energi.

Konsep seniman tentang pesawat ruang angkasa Parker Solar Probe yang mendekati Matahari. Kredit gambar: NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben

Cara spesifik gangguan ini terjadi tidak berbeda dengan apa yang terjadi saat Anda mengaduk secangkir kopi pagi hari. Dengan menstimulasi pergerakan acak suatu fluida, baik gas atau cair, energi ditransfer ke skala yang lebih kecil, yang berpuncak pada konversi energi menjadi panas. Dalam kasus korona matahari, fluida juga termagnetisasi sehingga energi magnetik yang tersimpan juga tersedia untuk diubah menjadi panas.

Perpindahan energi magnet dan energi kinetik dari skala yang lebih besar ke skala yang lebih kecil merupakan inti dari turbulensi. Pada skala terkecil, hal ini memungkinkan fluktuasi akhirnya berinteraksi dengan partikel individu, sebagian besar proton, dan memanaskannya.

Kesimpulan dan implikasi

Dibutuhkan lebih banyak pekerjaan sebelum kita dapat mengatakan bahwa masalah pemanasan matahari telah terpecahkan, namun sekarang, berkat karya Daniel, fisikawan matahari telah mampu melakukan pengukuran pertama dari proses ini.

“Ini adalah penelitian ilmiah pertama. Pekerjaan ini merupakan langkah maju yang penting dalam memecahkan masalah pemanasan koronal,” kata Daniel Müller, ilmuwan proyek.

Solar Orbiter merupakan misi luar angkasa hasil kerjasama internasional antara ESA dan ESA NASAdikelola oleh Badan Antariksa Eropa.