Waarom is het rond de zon warmer dan in de zon?
De waarheid is: we weten het niet. Tot op vandaag is dit “coronale verwarmingsprobleem” een van de grootste mysteries in de sterrenkunde. Wiskundige Pieter Vanmechelen (KU Leuven) onderzocht het fenomeen in zijn masterproef.
Koud, kouder, ...heet?
Hoe verder je van een warmtebron gaat, hoe kouder het wordt. Dat is toch wat we gewend zijn in ons dagelijks leven op aarde. Maar wanneer je kijkt naar de zon als warmtebron, tekent er zich een heel ander verhaal af: hoewel het op het oppervlak van de zon een frisse vijfduizend graden Celsius is, stijgt de temperatuur plotseling onverklaarbaar wanneer je het oppervlak verlaat, tot maar liefst een miljoen graden Celsius. De klemtoon ligt hier op onverklaarbaar, want de oorzaak van deze plotse stijging blijft tot vandaag een van de grootste mysteriën in de sterrenkunde.
De regio waar deze enorme temperaturen gemeten worden noemen we de corona. Deze naam komt niet van het virus of van het bier, maar wel van de spectaculaire witte krans die je tijdens een zonsverduistering rond de zon kan zien. Het raadsel van de temperatuur van de corona heet trouwens zeer origineel het coronale verwarmingsprobleem.
Oude raadsels, nieuwe ontdekkingen
Het coronale verwarmingsprobleem is al decennialang het grootste raadsel binnen de zonnefysica. Verschillende wetenschappers zijn al jaren op zoek naar een verklaring voor dit fenomeen. Dit doen ze door te zoeken naar mechanismes in de atmosfeer van de zon die energie in warmte omzetten.
Een kandidaat-mechanisme dat recent de aandacht heeft getrokken is trage resonantie van magnetische poriën. Een magnetische porie is een relatief kleine structuur op het oppervlak van de zon die met gespecialiseerde telescopen gezien kan worden.
Binnen zo’n poriën is het magnetisch veld van de zon vele honderden malen sterker dan op de rest van het oppervlak, waardoor het belangrijke structuren zijn in de vormgeving van de atmosfeer van de zon. Hun ‘relatief kleine’ grootte is overigens gemeten op de reusachtige schaal van afmetingen in de zon. Een magnetische porie heeft doorgaans een diameter van meerdere duizenden kilometers: in een forse porie zou de aarde in haar geheel passen.
Zeeën op de zon
Het oppervlak van de zon is een plasma. Dit is naast vast, vloeibaar en gas de vierde toestand waarin een stof kan verkeren. Het gedrag van plasma’s is vergelijkbaar met dat van vloeistoffen, waardoor het oppervlak van de zon gezien kan worden als een gigantische oceaan.
Het oppervlak is ook continu in beweging: overal zijn er golven en op deze golven deinen de magnetische poriën. De beweging van de poriën is een soort schommeling die gebeurt aan een bepaalde frequentie.
Los van deze bewegingen heeft het plasma zelf ook bepaalde frequenties, eigen aan het plasma. Dit principe, ook wel eigenfrequentie genoemd, vind je ook op aarde: geef je het object een tik, dan begint het te trillen in een specifieke frequentie. Zoals deze kerkklok.
Resonantie
Deze eigenfrequentie leidt op aarde al eens tot problemen. Wanneer er bijvoorbeeld soldaten op een brug marcheren op het exacte ritme van de eigenfrequentie van een brug kan je de hele brug plots heen-en-weer laten zwiepen. Ook een wijnglas kan je via het juiste geluid, hevig laten trillen en zelfs kapot laten springen. Dit fenomeen heet resonantie: de eigenfrequentie en de trillingen van het geluid versterken elkaar, met spectaculaire gevolgen.
Ook wanneer de frequentie van de beweging van de porie gelijk is aan een van de inherente frequenties van het plasma, treedt er een gelijkaardig fenomeen op. De schommelende porie kan je dan vergelijken met de marcherende soldaten, en het plasma met de brug.
Toch is er één groot verschil: in plaats van dat de twee elkaar versterken, zal er net een dempend effect optreden. De twee bewegingen heffen elkaar deels op en de energie die daarbij vrijkomt, zou één van de mogelijke verklaringen zijn voor de indrukwekkende temperatuurstijging.
Vage randen
Eén van de verklaringen, dus er zijn er nog meer? Pieter Vanmechelen: “Klopt. Binnen onze onderzoeksgroep onderzoeken we meerdere effecten in de corona. Door deze effecten naast elkaar te bekijken, proberen we zo tot een totaalbeeld te komen dat het gedrag van het plasma kan verklaren. Dat vergelijken we dan opnieuw met de observaties van de satellieten."
"In de theorie die ik in mijn masterproef onderzocht, waren eerdere berekeningen te eenvoudig. Daarom keek ik naar complexere modellen voor magnetische poriën. Deze houden rekening met het feit dat poriën geen perfect afgelijnde cilinders zijn, maar eerder een vage rand hebben. Een beetje zoals wolken op aarde."
Satellieten
Wiskundigen, in tegenstelling tot vele andere wetenschappers, werken individueel aan een probleem. Samenwerken aan één berekening is immers moeilijk. Toch bouw je ook als wiskundige altijd sterk voort op bestaande kennis, stelt Pieter. "Voor dit soort berekeningen baseren we ons als wiskundigen op concrete waarnemingen van satellieten, deze worden telkens beter en beter. ”
Toch is er nog een lange weg te gaan. Het onderzoek naar het coronale verwarmingsprobleem is al decennia aan de gang en de vooruitgang gaat in hele kleine stapjes. Het blijft dus voorlopig even een groot mysterie, het kroonjuweel van de zonnefysica.
Onderzoek Pieter Vanmechelen
Promotor Prof. Tom Van Doorsselaere
.
.