Solen er vår nærmeste stjerne. Den er grunnlaget for alt liv. Menneskeheten har studert den opp og i mente. Likevel er det noen mysterier som holder solfysikerne våkne om nettene.
Det ene er hvorfor solen har en syklus på elleve år. Det andre er hvorfor koronaen, som er det ytterste laget i solatmosfæren, blir varmet opp til én million grader. Der er det forbausende mye varmere enn på soloverflaten, der temperaturen «bare» er 6000 grader. Det tredje er: Hva driver solvinden, den konstante strømmen av ladete partikler som blåser ut i verdensrommet?
Astrofysikerne sliter også med å forstå magnetismen på solen.
Ved Universitetet i Oslo leter forskere etter svar. De bruker alt fra bakketeleskoper med ekstrem oppløsning til tunge beregninger på superdatamaskiner for å fravriste solen dens mysterier.
– Vi legger brikke på brikke i det store puslespillet. Vi har fått nye resultater og er kommet langt, poengterer Mats Carlsson. Han er professor på Institutt for teoretisk astrofysikk og er leder av Rosseland senter for solfysikk, et senter for fremragende forskning. Senteret er verdensledende i å bruke tungregning for å simulere hvordan solen fungerer og hvordan solen kan påvirke livet på jorden.
– Innsikten fra vår egen stjerne kan forklare fenomener i hele kosmos og er et unikt laboratorium for å forstå stjerner, sorte hull og nøytronstjerner. Vi kan ikke se detaljene i fjerne stjerner. Men vi kan se disse detaljene på solen. Det vi lærer der, gjelder for hele universet, sier hans kollega, professor Luc Rouppe van der Voort.
Solflekkenes mørke mysterium
Et av de underlige fenomenene på solen er solflekker. Det er der de største solutbruddene skjer. Solflekkene befinner seg i de områdene som astrofysikerne kaller for de aktive delene av solen. Når solflekkene eksploderer, kan plasma slenges ut i enorme hastigheter mot jorden. Og for dem som ikke kjenner til begrepet plasma: Plasma er den fjerde tilstanden som materie kan være i. På skolebenken lærte vi at all materie, avhengig av trykk og temperatur, kunne være i en av de tre tilstandene fast form, væske eller gass. Vi lærte ikke om plasma, selv om plasma er en overveldende vanlig tilstand i solen og universet for øvrig. I plasmaet er det så varmt at elektronene løsriver seg fra atomkjernene. Det betyr at all materie i plasma består av ladete partikler.
– Solflekkene er ikke alltid pene og runde. Noen ganger er de ovale. Noen ganger klumper mange solflekker seg sammen, forteller masterstudent Rebecca Nguyen.
Solflekker er dessuten mørkere enn resten av soloverflaten. Det er fordi solflekkene er kaldere enn omgivelsene. Men kaldt er et relativt begrep. Vi snakker om 4000 grader. Det er et par tusen grader kjøligere enn ellers på soloverflaten.
Sterke magnetfelt
Forklaringen på denne 'kulden' er at solflekker består av enormt sterke magnetfelt.
– De sterke magnetfeltene demper strømmene av det glovarme plasmaet som kommer opp fra solens indre, sier Luc Rouppe van der Voort.
Magnetfeltene er i seg selv usynlige, men ettersom plasmaet, som består av ladde partikler, følger magnetismen, er det mulig å studere magnetfeltet ved å studere formen på plasmaet.
De magnetiske feltene kan gå igjennom to solflekker, der den ene har polaritet minus, mens den andre har polaritet pluss. Da dannes det en magnetisk løkke, formet som en omvendt U imellom dem.
– Disse to solflekkene vil derfor være bundet av det samme magnetfeltet, sier Luc Rouppe van der Voort.
De mest eksplosive flekkene kan ha begge polaritetene. Her kan det være områder i solflekken som skiller den positive polariteten fra den negative polariteten. Dette skaper kaotiske magnetfelt og øker risikoen for store utbrudd.
– Store, kaotiske solflekker er som regel farligere enn fine, runde solflekker, poengterer han.
De magnetiske strømningene kan blande seg med hverandre. Da dannes det nye magnetiske koblinger.
– Når magnetiske feltlinjer i solflekker kolliderer og rekobles, kan det utløse enorme eksplosjoner, forklarer Rebecca Nguyen.
Når de magnetiske buene klemmes sammen, vil magnetfeltet etter hvert se ut som et «åttetall». Møtepunktet i «midten av åttetallet» vil briste. Grunnet de voldsomme spenningene vil plasmaet i den «øvre delen av åttetallet» bli slengt utover.
– Det kan utløse enorme eksplosjoner. Du kan sammenligne dette med at du drar ut en strikk for så å slippe den. Da smeller det, forteller Rebecca Nguyen.
Når soleksplosjonene blir kraftige nok, er energien så kraftig at plasmaet slenges ut i verdensrommet. Plasmaet kan da treffe jorden, med de problemene det medfører.
Solflekkene lever ikke lenge. De kan være der noen uker. Så forsvinner de.
«Telys»-eksplosjoner
I motsetning til solflekkene, som det ikke finnes mange av og som heldigvis ikke oppstår så ofte, bugner solen av små, kortvarige eksplosjoner.
– De ser ut som små telys som blusser opp og dør ut etter tre til fem minutter, forteller Rebecca Nguyen.
Hvis du kunne ha kommet nær nok, ville du ha sett at de ikke var så små likevel. «Telysene» er 100 til 200 kilometer brede og 1000 til 2000 kilometer høye.
I 1917 ble de beskrevet av den amerikanske astronomen Ferdinand Ellerman. Han kalte dem hydrogenbomber fordi han ved å bruke spektralanalyse kunne se at de ene og alene inneholdt hydrogen. Navnet ble etter krigen endret til Ellerman-bomber.
– De små bombene på solen er mye vanligere enn vi hadde tenkt, forteller Mats Carlsson.
Dette er små flammer med stor betydning. Ellerman-bombene kan være nøkkelen til å forstå solens eksplosive natur.
– Vi har lenge trodd at disse bombene bare fantes i aktive områder rundt solflekker, forteller Luc Rouppe van der Voort.
– Men nå vet vi at de også finnes i de stille delene av solen. Faktisk er det anslått at det finnes rundt 750 000 slike Ellerman-bomber på solen til enhver tid.
Selv om dette høres mye ut, utgjør de likevel bare en bitteliten del av soloverflaten.
Institutt for teoretisk astrofysisk har kommet lengst i verden i å forske på dette fenomenet.
– Hva er det egentlig som skjer når en Ellermanbombe eksploderer?
– Solens overflate er gjennomsyret av magnetfelt. Det hele er kaotisk. Når to felt med motsatt polaritet, pluss og minus, kommer tett på hverandre, kan de plutselig koble seg sammen på nytt og danne nye magnetiske koblinger. Det frigjør enorme mengder energi på kort tid.
Da blir det plutselig veldig varmt. Ellermanbombene øker temperaturen fra 6000 til et sted mellom 10 og 15 000 grader. Dette skjer når nye magnetfelt fra solens indre møter eksisterende felt og danner nye koblinger.
– Det er teorier om at disse bidrar til oppvarmingen av koronaen, men de kan ikke forklare dette alene, presiserer Luc Rouppe van der Voort og legger til:
– Disse små eksplosjonene tar kanskje bort litt av det magnetiske stresset som bygges opp hele tiden. De virker som små ventiler som tar bort noe av trykket. Dette er spekulasjon. Men vi mener at det må være sånn.
Uten Ellerman-bombene er sannsynligheten til stede for at soleksplosjonene hadde vært mye kraftigere.
– Studier av Ellerman-bombene er en av de mange puslespillbrikkene for å forstå magnetfeltet på solen. Vi kan da lage bedre simuleringer av hvordan solmagnetismen fungerer. Det langsiktige målet vårt er å forstå hvordan store eksplosjoner oppstår og hvorfor plasmaet fra solen blir sendt mot jorden. Vi vet ikke om vi kan forutsi soleksplosjoner ved å studere disse bombene, men de gir oss en større innsikt i hvordan de magnetiske rekoblingene skjer på solen, sier Luc Rouppe van der Voort.
Selv fra verdens beste solteleskop er det umulig å se disse bombene med det blotte øye. De er så «små» at de bare fyller to, tre piksler i bildene.
Nguyen har laget en metode som skal gjøre det mulig å se så mange som mulig av dem, uten å få med hendelser som ikke er Ellerman-bomber.
– Jeg har utviklet denne algoritmen fra bunnen og tester ut nye kriterier for å finne dem, forteller Rebecca Nguyen.
Ellerman-bombene gjenkjennes på bildene fordi spektrallinjene av dem ser ut som en mustasje.
– Vi tror at de oppstår på samme måte som soleksplosjoner i magnetfelt. Men det er ikke bekreftet ennå. Kanskje jeg finner ut av det. Det hadde vært gøy, sier Rebecca Nguyen.
– Egentlig ønsker vi å studere Ellerman-bombene hele tiden, for da kunne vi kanskje ha brukt dem til å forutsi hvor store soleksplosjonene blir, tilføyer Luc Rouppe van der Voort.
Lydbølger
Som om dette ikke er nok, studerer astrofysikerne, i samarbeid med Max Planck-instituttet i den tyske byen Göttingen, også lydbølgene i solen. Studier av lydbølger gjør det mulig å få et bilde av hvordan solen ser ut innenifra.
Takket være lydbølgene kan de måle hvordan solen roterer, hastighet på gassbevegelsene og hvordan gassen fordeler seg. Dette faget kalles for helioseismologi.
Lydbølgene trenger ned i solen og blir så reflektert tilbake. Når de kommer opp igjen, trenger de atter en gang ned i solen. På denne måten forflytter lydbølgene seg rundt hele solen. De lydbølgene som trenger lenger inn i solen enn de andre, har en annen frekvens enn de lydbølgene som ikke trenger like langt ned.
– Ved å se på hvor mange ganger lydbølgene har flyttet seg opp og ned rundt solen, får vi et bilde av hvor langt inn i solen de har vært. Observasjonene stemmer ikke overens med simuleringene. Når noe ikke stemmer, må vi endre på modellene. Vi har noen ideer om hvorfor simuleringene ikke stemmer, poengterer Mats Carlsson.
Nordpolen på solen
Et av de store ønskene hans er observasjoner fra de to polene på solen. Solen roterer raskere ved ekvator enn på polene. Hos noen stjerner er det faktisk omvendt. Dette merkverdige fenomenet oppstår bare på himmellegemer som består av gass. Det hadde blitt et eventyrlig kaos om det fantes steder på jorden der rotasjonshastigheten var annerledes enn resten av kloden vår.
ESA og NASA sender nå satellitten Solar Orbiter opp i en høyere vinkel for å få observasjoner fra polene.
Solteleskopet på La Palma
For å forstå solen må forskerne studere den i detalj. Det gjør de på toppen av et fjell på den ytterste av Kanariøyene, La Palma.
Her ligger det svenske solteleskopet på 2400 meters høyde. Teleskopet er sytten meter høyt. Diameteren på linsen er nesten én meter.
– Dette er verdens skarpeste solteleskop, forteller Luc Rouppe van der Voort.
Lysstrålen går igjennom linsen og treffer et optikkbord med kamera og en rekke instrumenter.
– Vi kan se detaljer ned til 70 kilometer på solens overflate. Det er som å se en mynt på 100 kilometers avstand.
Hver piksel gir et bilde av en bredde på 35 kilometer. Men de trenger et par piksler for å få den oppløsningen de behøver.
– For å forutsi om en solflekk vil føre til en større eksplosjon eller ei, må vi ha gode målinger av magnetfeltet. På solobservatoriet får vi detaljerte bilder av magnetfeltene helt nederst i solatmosfæren, sier Carlsson.
Derimot kan de ikke bruke solteleskopet til å studere magnetfeltet høyere opp i atmosfæren. Her kommer simuleringsmodellene inn. Da bruker de datamaskiner til å beregne magnetfeltet.
Men det er én hake: Været. Problemet med landbaserte solteleskop er at forskerne er avhengige av solskinn.
– Når det først er klarvær og rolig atmosfære, får vi fantastiske bilder. Men det er sjelden, sier Rebecca Nguyen.
UiO-forskerne får bruke teleskopet 42 dager i året, fordelt på tre runder.
– Sist gang var vi der i to uker. Vi hadde én dag med fantastiske solforhold. De andre dagene var ikke like glamorøse. Vi sitter ofte og venter på at været skal bli bedre, forteller hun.
– Men én time her og én time der får vi fantastisk gode bilder, legger Luc Rouppe van der Voort til.
Det er ikke nok at himmelen er skyfri. Atmosfæren må også være stille og fri for turbulens. Luften kan bestå av bobler med ulik tetthet. Slikt forstyrrer lysbølgene fra solen.
– De beste forholdene er når atmosfæren er fin og jevn, forteller Rebecca Nguyen.
Målinger fra rommet
Heldigvis er det også mulig å observere solen fra verdensrommet. Men der er ikke oppløsningen god nok til å oppdage de små Ellerman-bombene. Bare de store.
– Hvis vi hadde klart å bruke observasjoner fra rommet, kunne vi ha fått kontinuerlige bilder av disse bombene og dermed en større forståelse av det store bildet, men dette har vi ennå ikke fått til.
Forskerne kombinerer bakkedata med observasjoner fra rommet. Satellitter som IRIS, SDO og Solar Orbiter gir kontinuerlige målinger, men med lavere oppløsning. Observasjonene fra satellittene er av ulike lag i solatmosfæren. Ved å koble sammen bildene får de et mer helhetlig bilde.
Forskningen til Luc Rouppe van der Voort er først og fremst å sammenligne bilder fra solteleskopet og ulike satellitter for å kunne studere de minste detaljene på solen.
De bruker observasjonene til å forbedre modellene og modellene til å forstå bedre hva de observerer.
– Vi mangler en del fysikk i modellene våre.
Og vi er dessuten nødt til å forenkle dem, sier Luc Rouppe van der Voort.
35 ganger raskere
Soleksplosjoner og det som skjer i koronaen, skjer raskt. Da trengs det raske observasjoner. I den japanske Hinode-satellitten måles spekteret. Problemet er at det tar en halv time å generere ett bilde.
Nå skal NASA og ESA skyte opp en ny satellitt, kalt MUSE, som kan ta bildene 35 ganger raskere enn i dag. Da kan UiO-forskerne få langt mer detaljerte bilder fra soleksplosjoner. De utvikler nå metoder med maskinlæring for at MUSE skal kunne registrere observasjonene så raskt som mulig.
Matematiske modeller
Som om dette ikke er nok, har astrofysikerne laget en gigantisk simuleringsmodell av den øvre delen av solen, mens det franske instituttet CEA har en modell av den indre delen. Forskerne er nå i ferd med å koble disse to modellene sammen. Det er langt vanskeligere enn du kanskje aner. Begge modellene krever enorme mengder tungregning.
De klarer nå å beregne hva som skjer i solen i sanntid. Det betyr at det enorme dataprogrammet deres trenger en time på å beregne hva som skjer i solen i løpet av en times tid. Dette høres kanskje tilforlatelig ut, men en solsyklus er på elleve år. Og som du sikkert skjønner: Det er litt upraktisk å bruke elleve år på å beregne hva som skjer i solen i løpet av elleve år. For å øke simuleringshastigheten er en av løsningene deres å ha ulike tidsskalaer i modellen. Endringer på overflaten skjer raskt, mens endringene inne i solen går sakte.
– Målet vårt er å forstå hvordan magnetfeltet fungerer i solen og i astrofysisk plasma. Det samme fenomenet skjer i andre stjerner. Og i nøytronstjerner og svarte hull. Vi kan derfor bruke solen som et laboratorium til å forstå andre stjerner og andre prosesser i universet, sier Luc Rouppe van der Voort.
Artikkelen ble først publisert på Apollon
Etterlyser atomvåpen-debatt: : Europa har ingen svar
