Fysikern bakom Parker Solar Probe – från ”löjlig idé” till vår väg in mot solen

2022-04-26 07:00  

Eugene Parker var fysikern som insåg att solvinden finns, trots att ingen trodde på honom. I dag kretsar Parker Solar Probe runt solen för lära oss mer om stjärnor och solstormar. Nasas ”solchef”: ”Allt som händer i solen kan påverka oss på jorden”.

Parker Solar Probe blev förra året den första rymdfarkosten att ”nudda” vid solen. Genom att undersöka solen på nära håll hoppas forskarna få en klarare bild av vår närmsta stjärna.

Men det har även uppstått nya frågor. Det första sonden upptäckte var former i solvindens magnetfält som kallas switchbacks i solvinden – hur den vänds tillbaka mot solen igen. 

Eugene Parker, den amerikanske fysiker som rymdsonden är uppkallad efter, avled 94 år gammal i mars i år. Parker tilldelades år 2020 det svenska Crafoordpriset för sitt arbete inom heliofysik, sina teorier om solvinden och om magnetfält i rymden. Första gången Eugene Parker nämnde solvinden var i en kontroversiell vetenskaplig artikel som publicerades 1958. 

Eugene Parker (1927-2022). Foto: John Zich/University of Chicago

Nicola Fox är divisionschef för heliofysik på Nasa och håller, i Eugene Parkers ställe, en prisföreläsning under årets upplaga av Crafoord-dagarna som äger rum 25–27 april i Lund. För Ny Teknik berättar hon om en forskare, nära vän och ödmjuk förebild som litade på sina uträkningar även när ingen trodde på honom. 

– Jag tror att han verkligen älskade logiken i det hela. Han var entusiastisk inför vetenskap och naturen. När han pratade om sin artikel från 1958 sa han ”Jag löste bara de matematiska ekvationerna”. Han visste att han hade rätt, även fast han blev förlöjligad, säger Nicola Fox om Eugene Parker. 

Innan Nicola Fox blev divisionschef var hon huvudforskare för Parker Solar Probe. Hon arbetade då på labororatoriet för tillämpad fysik på John Hopkins universitetet i Baltimore som byggde rymdsonden. Nicola Fox har en doktorsexamen från Imperial College i London och är också expert för den ideella organisationen The planetary society. 

Nicola Fox, divisionschef för heliofysik på Nasa. Foto: Nasa

Ifrågasatt och förlöjligad 

Vi tar historien från början, med idén om solvinden. 

Eugene Parker började jobba på universitetet i Chicago 1955, fyra år efter att han hade doktorerat vid Caltech i Kalifornien. I Chicago fick Eugene Parker i uppdrag av sin chef, fysikern John Simpson, att titta närmare på forskning av den tyske astronomen Ludwig Biermann. 

– Han fick faktiskt idén om solvinden från forskning gjord av Ludwig Biermann. Biermann föreslog att det fanns någonting som flödade radiellt ut från solen som påverkade kometsvansar så att de alltid pekade ut från solen oberoende kometens rörelseriktning. John Simpson avvisade denna idé, men gav materialet till Eugene Parker, säger Nicola Fox. 

John Simpson argumenterade emot Biermanns idé genom att citera matematikern och fysikern Sydney Chapman. Chapman ansåg, precis som de flesta på den tiden, att solens atmosfär precis som jordens måste vara statisk. 

– Genom vad han kallade ”enkel matematik” visade Eugene Parker att solens atmosfär egentligen är otroligt dynamisk och ständigt föränderlig. Det var redan känt att koronan var miljontals grader varm, och han hävdade att med all denna värme måste det nästan koka, det måste spilla ut i rymden bortom stjärnan – och detta kallade han för solvinden, säger Nicola Fox. 

Rymdsonden Parker Solar Probe förbereddes vid Goddard Space Flight Center i Maryland, USA, inför uppskjutningen 2018. Foto: Science Photo Library

Parker bestämde sig för att skriva en vetenskaplig artikel om solvinden. Men John Simpson, som fortsatt inte trodde på teorin, ville inte vara med som medförfattare. 

– Eugene var en ung forskare då, och det var väldigt ovanligt att vara ensam författare till en vetenskaplig artikel vid hans ålder. Han blev refuserad av flera tidskrifter, och en av granskarna sa till honom att ”om du ska bli publicerad inom detta vetenskapsområde måste du gå till ett bibliotek först”, säger Nicola Fox. 

1958 fick Eugene Parker sin artikel om solvinden publicerad. Detta efter att ha gått till astrofysikern Subrahmanyan Chandrasekhar, även han forskare vid universitetet i Chicago, och visat sina beräkningar. Chandrasekhar (senare tilldelad Nobelpriset) var redaktör för tidskriften The Astrophysical Journal och valde att publicera artikeln även om inte heller han trodde på idén. 

– Chandrasekhar sa något i stil med ”Jag tycker att det är en löjlig idé, men jag vill inte heller se att den kastas bort”. Och Eugene fick utstå mycket förlöjligande efter att den publicerades, säger Nicola Fox. 

Solvinden blåser upp heliosfären

Först när solvinden observerats av rymdsonderna Luna 1, uppskjuten 1959, och senare av Mariner 2 som sköts upp 1962, blev Eugene Parkers idéer accepterade som fakta. 

Vinden består av en ström laddade partiklar, främst elektroner och protoner, som strömmar ut från den övre delen av solens atmosfär, koronan. På grund av att solen roterar medan den skickar i väg vinden bildas en spiralform som kallas Parkerspiral. 

Kring solen finns det som kallas heliosfären. Ett område som sträcker sig långt förbi planeterna i vårt solsystem och som kan ses som solens yttersta atmosfäriska lager. Trots sitt namn är området inte sfäriskt utan är mera ovalt och koniskt med en form likt en vindstrut. 

– Medan solvinden strålar ut blåser den upp heliosfären och formar en skyddande bubbla kring oss. Men någonstans tar energin slut, och det är där heliosfären möter den interstellära rymden. Den gränsen flyttas med solcykeln. Eftersom vi har en 11-årig solcykel kan man samtidigt se hur heliosfären nästan andas med denna cykel, säger Nicola Fox. 

Konstnärlig illustration av hur Voyager 1 och 2 har lämnat solsystemets skyddande heliosfär, som är det blåa i olika nyanser i bilden. Voyager 1 lämnade heliosfären 2012, Voyager 2 under 2018, och gav sig in i den interstellära rymden. Foto: Science Photo Library

Heliosfärens yttre gräns har blivit observerad med sonderna Voyager 1 och 2. Enligt Nicola Fox var instrumenten på den första sonden trasiga, men med Voyager 2 kunde man tydligt se när gränsen passerades då värdena som relaterade till interstellär strålning steg kraftigt. Voyager 2 lämnade heliosfären på ett avstånd av 17,8 miljarder kilometer från solen. 

– Vi har en magnetosfär runt vår planet där jordens magnetfält skapar ett område kring oss som skyddar från strålning och den farliga delen av solvinden. Och sen blåser solvinden i sig själv upp hela heliosfären, och det skyddar oss från det som kommer från interstellär rymd, säger Nicola Fox. 

2018 skickades Parker Solar Probe upp i rymden för att bättre förstå solen, rymdväder och vår del av universum. Då blev Eugene Parker först i världen med att, medan han var vid liv, få en rymdfarkost uppkallad efter sig, samt att se den skjutas upp i rymden.

Koronan är betydligt varmare än fotosfären

Parker Solar Probe har tre huvudsakliga vetenskapliga mål. 

– Ett är att ta reda på varför koronan är varmare än den för oss synliga ytan av solen. Det andra är att undersöka varför solvinden accelereras. Man får det här området av otrolig värme, och sen plötsligt tar solvinden fart och den kan dra i väg från stjärnan och ta magnetfältet med sig. Varför händer detta? säger Nicola Fox. 

Det man ser när man tittar på solen från jorden kallas för fotosfären, ett lager av solen som har en temperatur på 4 500–6 000 grader kelvin. Koronan, som ligger utanför fotosfären, är alltså betydligt varmare och kan nå miljontals grader. 

– Det tredje målet för Parker Solar Probe är att ta reda på varför vi har vissa partiklar med väldigt höga energier. Dessa partiklar är bland annat associerade med solutbrott och koronamassutkastningar och kan nå hastigheter uppemot hälften av ljusets hastighet, säger Nicola Fox. 

Då solen är en relativt genomsnittlig stjärna kan information om denna säga något om resten av stjärnsystemet i universum. 

– Jorden ligger i solens atmosfär. Så allt som händer i solen kan påverka oss här på jorden. Om vi kan förstå vår stjärna bättre så betyder det dessutom att vi kan få en bättre förståelse för andra stjärnor i andra stjärnsystem i vår galax. Vad är det som gör att just vår stjärna kan stödja liv? säger Nicola Fox. 

Det ökande användandet av teknik, till exempel de allt fler satelliterna i rymden, gör också att det är intressant att forska om solen.  

– Vi vill kunna skydda oss bättre från rymdväder. Som vi vet blir samhället alltmer beroende av teknik, och tekniken är känslig för rymdväder. Genom att studera solen kan vi lära oss mer så att vi bättre kan skydda planeten, säger Nicola Fox. 

Parker Solar Probe har nuddat solen

När Parker Solar Probe passerade the Alfvén critial surface, en yta uppkallad efter den svenske astronomen och Nobelpristagaren Hannes Alfvén, i april 2021 så var det klart. Parker Solar Probe blev den första rymdfarkosten att nudda solen.   

– Innanför den här gränsen roterar i stort sett hela koronan med solen, den beter sig som en solid kropp. Utanför gränsen finns en sorts övergångsregion. Det är här vi ser maximal uppvärmning och början av solvindens acceleration. När vi säger att vi har nuddat solen menar vi att vi kommit in i området där allt roterar som en solid kropp, säger Nicola Fox. 

I sin omloppsbana, som går förbi Venus, har sonden vid fler tillfällen efter april 2021 trätt in i koronan, enligt Nicola Fox. 

– Vi trodde ursprungligen att vi skulle behöva gå innanför tio solradier för att korsa gränsen. Medan vi byggde sonden kom ny forskning som visade att gränsen skulle kunna finnas mycket längre bort från solen. Och det visade sig vara fallet, så det var intressant att se att gränsen faktiskt var längre bort vilket bevisade den nyare modellen, säger hon.

Koronan som sonden tar sig in i är som sagt miljoner grader varm, och trots att värmeskölden bara klarar 1 370 grader Celsius så kan sonden hantera den höga temperaturen.

– Det har att göra med hur mycket värme som faktiskt överförs till rymdfarkosten. Även om temperaturen är 3 miljoner grader Fahrenheit är mängden värme som överförs till sonden liten på grund av partikeldensiteten, säger Nicola Fox. 

Medan sonden samlar in data för att kunna ge forskarna svar på frågorna som finns kvar om solen har nya frågetecken uppstått. Magnetfälten i solvinden har trotts vara raka och riktade ut från solen, men på vissa ställen har dessa setts vända om och peka mot solen igen, så kallade switchbacks.

– Magnetfälten skapar en sorts S-form, och vi vet inte varför. Det är en underbar sak med dessa utforskande uppdrag, allt nytt man hittar. Det första vi hittade var dessa S-former, så nu måste vi ta reda på vad som ligger bakom dessa. Det vi ser är att magnetfälten vrider sig och sedan slappnar av. Och när de slappnar av så frigörs mycket energi ut i solvinden och bidrar till acceleration och uppvärmning, säger Nicola Fox. 

När bränslet i rymdfarkosten är slut kommer Parker Solar Probe att sluta fungera. På grund av att uppskjutningen följde en perfekt bana kunde sonden spara lite extra bränsle som var tänkt till eventuella kurskorrektioner. Detta gör att den kanske klarar längre än de sju planerade åren enligt Nicola Fox. 

– Farkosten har bränsle som håller värmeskölden riktad mot solen. Men någon gång i framtiden när bränslet tar slut kommer farkosten att börja rotera. Då kommer delar som inte är designade att vara i fullt solljus bli uppvärmda och sonden kommer till slut att brytas sönder. Den kommer då att bli till fint damm som kommer vara i omlopp kring solen för evigt, säger hon. 

Solar Orbiter undersöker också solen

Parker Solar Probe är inte ensam i rymden att betrakta vår stjärna. En annan rymdsond är Europeiska rymdorganisationens Solar Orbiter som sköts upp i februari 2020. De båda rymdfarkosterna skiljer sig från varandra på flera sätt. 

– Solar Orbiter har en mängd olika kameror på sig. Sonden gör fjärranalyser då den inte är lika nära solen så kamerorna blir inte direkt bländade av ljuset vilket gör att den kan ta otroligt högupplösta bilder. De kommer också att lämna det ekliptiska planet med några grader så att de kan titta ner på polerna av solen. Solar Orbiter kommer att vara först med att göra just detta, säger Nicola Fox.  

Konstnärlig illustration av rymdsonderna Solar Orbiter och Parker Solar Probe. Foto: Science Photo Library

Nasas rymdsond kan inte ha kameror på samma sätt som Solar Orbiter eftersom den är så pass nära solen. 

– Parker Solar Probe gör mätningar på plats. Vi har bara en kamera på farkosten, och den är riktad ut åt sidan. Om vi hade haft någonting som kollade rakt in i solen hade vi blivit bländade. Men de två rymdfarkosterna skapar tillsammans ett otroligt partnerskap, säger Nicola Fox.  

För att få en komplett bild av det som sker i och på solen skulle Nicola Fox vilja ha en rymdfarkost som kunde göra platsmätningar vid solens poler. 

– Det fanns en farkost som hette Ulysses som flög över polerna av solen, men på långt avstånd. Det vore toppen om vi kunde få till ett uppdrag nära solens poler som man kunde kombinera med bilderna som tas av Solar Orbiter. Men för detta krävs mycket teknologi som inte existerar i dagsläget. Att faktiskt kunna ha något vid polerna samtidigt som vi har andra farkoster som Parker Solar Probe runt ekvatorn, så att man kan titta på solen från alla vinklar, vore bra, säger hon. 

Eugene Parker tilldelades Crafoordpriset 2020

Eugene Parker hann uppleva både namngivningen och uppskjutningen av Parker Solar Probe. Nicola Fox säger att han var väldigt ödmjuk och lyfte fram alla som deltog i arbetet. 

– Han fick inte bara rymdfarkosten uppkallad efter sig, han fick träffa den också. Det var väldigt fint att se hur känslosam han blev över det han kallade ”a marvel of engineering”.  ”Allt jag gjorde var att skriva en artikel” sa han till mig. Han var väldigt mån om att ingenjörerna och grupperna som byggde rymdfarkosten skulle få äran, säger Nicola Fox. 

Eugene Parker besökte Johns Hopkins Applied Physics Laboratory i Maryland där Parker Solar Probe byggdes. Bild från oktober 2017. Foto: NASA/JHUAPL

Eugene Parker och Nicola Fox, heliofysikpionjärer, vid uppskjutningen av Parker Solar Probe 12 augusti 2018. Foto: NASA/Glenn Benson

2020 tilldelades Eugene Parker det svenska Crafoordpriset för sitt livsverk. Priset är på motsvarande sex miljoner svenska kronor. På grund av pandemin sköts dock prisutdelningen upp inte bara en utan två gånger. 

– Om vi hade kunnat ta emot priset under 2020 så hade han åkt. Det var väldigt sorgset att han dog bara någon månad före ceremonin, han hade åtminstone kunnat få vara med och lyssna på alla fina ord alla hade sagt om honom. Men tack vare Parker Solar Probe kommer hans namn att cirkulera kring solen för evigt, säger Nicola Fox. 

På grund av hälsoskäl togs beslutet att hämta själva medaljen till Eugene Parker i november 2021. Det gjorde att han hann få medaljen innan han gick bort i mars 2022.  

– Eugenes son, Eric, flög över och hämtade medaljen. I november hade vi ett litet firande hemma hos Eugene med Chicagos universitet. Vi kunde ge honom medaljen och prata om hans prestationer. Han var väldigt ödmjuk inför utmärkelsen och väldigt hedrad att få den. Det var en fantastisk sak att få efter ett så otroligt arbetsliv, säger Nicola Fox.  

Parker Solar Probe

Rymdsonden som sköts upp 2018 nuddade solen för första gången i april 2021. Då passerade farkosten “the Alfvén critial surface” och tog sig in i solens yttre atmosfär, koronan.

Sonden är döpt efter den amerikanska fysikern Eugene Parker och har tre huvudsakliga mål:

Problemet med den varma koronan

Solens yttersta lager, koronan, är över 300 gånger varmare än den yta vi ser från jorden när vi kollar på solen, fotosfären. Det kan jämföras med att en brasa skulle kännas varmare på längre avstånd.

Det finns olika teorier om varför koronan är så varm. En teori, som Eugene Parker själv ligger bakom, pratar om små kraftiga explosioner i solen som kallas “nanoflares”. Parker Solar Probe samlar kontinuerligt in data om koronan under sina flygningar förbi solen för att reda ut detta. 

Solvindens ursprung 

Solvinden består av en ström av laddade partiklar som flödar ut från solen i alla riktningar. Partiklarna kan uppnå väldigt höga hastigheter. Men hur lyckas de fly solen gravitation och magnetfält, och hur kan de accelereras till så höga hastigheter? 

Högenergetiska partiklar

Solvinden innehåller som sagt snabba partiklar. Men det finns protoner och elektroner som kan uppnå ännu högre hastigheter än den genomsnittliga solvinden på sin väg bort från solen. Forskare tror att de uppstår vid solutbrott och koronamassutkastningar. Parker Solar Probe kommer att kunna detektera dessa partiklar redan vid källan för att ge oss mer information. 

 

Parker Solar Probes vetenskapliga instrument 

Fields mäter elektriska fält runt rymdfarkosten med hjälp av fem antenner, varav fyra sticker ut förbi värmeskölden och befinner sig i direkt solljus. De fyra antennerna i solljuset mäter egenskaper hos den snabba och den långsamma solvinden. Den femte antennen, som är i skuggan av värmeskölden, hjälper till att skapa tredimensionella bilder av elektriska fält vid höga frekvenser. Fields har även tre stycken magnetometrar för att undersöka magnetfält. 

Wispr är det enda kamerainstrumentet ombord på farkosten. Wispr tittar på storskaliga strukturer i koronan och solvinden. Instrumentet är ungefär lika stort som en skokartong och tittar ut åt sidan från farkosten för att inte bli bländat av solljuset. 

Sweap använder sig av två olika instrument för att kolla på de mest förekommande partiklarna i solvinden. Egenskaper som hastighet, densitet och temperatur hos elektroner, protoner och heliumjoner mäts för att kunna öka vår förståelse av solvinden. 

Isois använder sig också av två olika instrument för att mäta partiklar med olika energier. Genom att detektera elektroner, protoner och olika sorters joner kommer Isois kunna förstå partiklarnas livscykel bättre. Var de kom ifrån, hur de accelererades och hur de tog sig ut från solen är några av frågorna som instrumentet ska hjälpa till att besvara. 

Bill Burrau

Mer om: Rymden Solen

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt