Reuzenexplosies en trillingen

Voor astronomen en natuurkundigen biedt de zon uniek studiemateriaal. Op zoek naar de geheimen van de corona e het inwendige van de zon.

George Beekman

DE ZON IS ASTRONOMISCH gezien een heel gewone ster, maar voor astronomen toch heel uniek. Zij is de enige ster waarvan het oppervlak vanaf de aarde gedetailleerd kan worden bestudeerd. Aan het oppervlak van de zon zien we allerlei verschijnselen - bellen, vlekken, vlammen en erupties - die ons niet alleen veel leren over hoe de zon in elkaar zit en 'werkt', maar ook over het gedrag van materie in extreme situaties. De zon is een laboratorium waar omstandigheden heersen die op aarde niet kunnen worden nagebootst en daarom is zij ook interessant voor natuurkundigen.

Het waarnemen van de zon gebeurt uiteraard overdag. Dat is prettig voor sterrenkundigen die 's nachts willen slapen, maar daarmee hebben we de voordelen wel gehad. Waarnemen overdag is namelijk veel lastiger dan waarnemen 's nachts. De warmte van de zon brengt de lucht boven, rond en zelfs in de telescoop in beweging, waardoor het zonnebeeld onrustig is en fijne details worden uitgewist. Zonnetelescopen worden daarom vaak op een toren gezet, ver boven de ergste turbulenties, waarbij het zonlicht via een geïsoleerde (en soms luchtledige) buis naar een ondergronds laboratorium wordt geleid.

Op Tenerife en La Palma staan vele torentelescopen. Nederland heeft er op La Palma een die juist geheel open is en door de wind wordt gekoeld. Deze Dutch Open Telescope kan details van 140 kilometer op de zon waarnemen en is daarmee een van de scherpst kijkende zonnetelescopen ter wereld. Hij wordt vooral gebruikt voor het onderzoek aan 'fluxbuizen': bundels magnetische veldlijnen die de basisingrediënten van het magnetische veld en zo de bouwstenen van de activiteit van de zon vormen.

Sommige zonnetelescopen hebben een voorziening om het felle licht van de zonneschijf af te schermen en de chromosfeer (de dunne laag boven het zichtbare oppervlak) en de veel ijlere en uitgestrektere corona zichtbaar te maken. Met zo'n 'coronagraaf' wordt in feite een totale zonsverduistering gecreëerd. De corona is interessant omdat hij een manifestatie is van het grootschalige en steeds veranderende magnetische veld rondom de zon en omdat van daaruit constant zonnedeeltjes in alle richtingen het zonnestelsel in snellen: de 'zonnewind'.

Hoewel de zon het grootste deel van haar energie in het zichtbare licht en het infrarood uitzendt, geeft haar straling op veel kortere golflengten - in het ultraviolet en röntgengebied - een beter inzicht in de fysische processen die zich in de atmosfeer van de zon afspelen. Deze straling kan echter niet vanaf het aardoppervlak worden waargenomen, omdat zij door de atmosfeer wordt geabsorbeerd. Daarom maakt men gebruik van instrumenten in stratosfeerballonnen, raketten en satellieten.

Met behulp van Skylab (1973) werden op röntgengolflengten enorme gaten in de corona ontdekt: een soort openingen in het magnetische veld waardoor de zonnewinddeeltjes gemakkelijk wegvliegen. Met Solar Maximum Mission (1980) werden in de corona reuzenexplosies ontdekt waarbij miljarden tonnen plasma als gevolg van magnetische verstoringen de ruimte in worden geslingerd.

Bereikt zo'n plasmawolk de aarde, dan leidt dat tot allerlei effecten: van het optreden van fraaie poollichten tot storingen in satellieten en in de elektriciteitsvoorziening. Tijdens minimale zonneactiviteit hebben zulke explosies ongeveer eenmaal per week plaats, maar tijdens maximale activiteit twee- tot driemaal per dag. Er staat ons dus nog wat te wachten.

Vanaf de aarde kunnen we alleen tegen de 'zijkant' van de zon aankijken en blijven de poolgebieden vrijwel onzichtbaar. Ook de vele ruimtesondes die de straling, deeltjes en magnetische velden rondom de zon, hebben gemeten, deden dit tot voor kort alleen ruwweg vanuit het vlak van de aardbaan. Ulysses is de eerste ruimtesonde die, nadat hij in 1992 in een baan loodrecht op het vlak van de aardbaan werd gebracht, ook het fysische milieu boven de poolgebieden van de zon bestudeert.

Ulysses vloog in 1994 over het zuidpoolgebied van de zon en in 1995 over het noordpoolgebied. In die tijd was de zon in de rustige periode van haar activiteitscyclus, waardoor haar magnetische veld een relatief eenvoudige structuur had. Toen Ulysses vorig jaar opnieuw over de zuidpool kwam, was de zonneactiviteit flink toegenomen en de corona onrustiger geworden. En als Ulysses dit jaar opnieuw het noordpoolgebied passeert, is alles nog heftiger. Ulysses zal zo een driedimensionaal beeld van het veranderende milieu rond de zon opbouwen.

Het paradepaardje van de zonne-onderzoekers is SOHO (Solar and Heliospheric Observatory), een Europees-Amerikaanse satelliet die sinds 1996 op een 'vast' punt op anderhalf miljoen kilometer van de aarde in de richting van de zon staat. SOHO heeft hier een permanent, ongestoord uitzicht op de zon en kan zo continu het oppervlak, de corona en de elektrisch geladen deeltjes van de zon bestuderen. Een van de belangrijkste doelen is het verkrijgen van een beter inzicht in de verhitting van de corona (die meer dan een miljoen graden heet is) en het ontstaan van de zonnewind. Tevens wordt de invloed van de activiteit van de zon op de aarde bestudeerd.

SOHO meet ook de subtiele trillingspatronen aan het oppervlak van de zon. Die patronen zijn het gevolg van de ontelbare akoestische golven die door opborrelende gasbellen ontstaan en dwars door de zon heenreizen. Zij leveren informatie over het inwendige van de zon, net zoals seismische trillingen informatie geven over het inwendige van de aarde. Deze 'helioseismologie' wordt overigens ook vanaf de aarde beoefend, bijvoorbeeld met het wereldomspannende netwerk van zes identieke telescopen dat GONG (Global Oscillation Network Group) wordt genoemd.

Bij een andere techniek om in de zon te kijken wordt gebruikgemaakt van neutrinotelescopen: deeltjesdetectoren die onder het aardoppervlak neutrino's van de zon opvangen en meten. Deze vrijwel ongrijpbare deeltjes geven informatie over de kernfusieprocessen in het inwendige van de zon en maken het zo mogelijk de theorieën te toetsen waarmee de bouw van de zon - en die van alle sterren van hetzelfde type - worden beschreven. Dit onderzoek is meettechnisch gezien in feite pure hoge-energiefysica.

Het onderzoek van SOHO zal er - letterlijk - een dimensie bij krijgen wanneer deze zomer Cluster II wordt gelanceerd: een viertal indentieke Europese satellieten. Deze satellieten komen in langgerekte banen die hen dwars door de magnetosfeer van de aarde voeren. Door hun simultane metingen maken zij het mogelijk een beter ruimtelijk beeld te krijgen van het zeer gecompliceerde magnetische veld, dat voortdurend wordt beïnvloed door de activiteit van de zon. Cluster II is een vervanging van een eerder kwartet dat tijdens de lancering in 1996 verloren ging.

SOHO en Cluster maken deel uit van het internationale Solar Terrestrial Science Program, in het kader waarvan ook andere landen satellieten hebben gelanceerd. In 2004 wordt de Japans-Britse zonnesatelliet Solar-B gelanceerd, die de fijnstructuur van het magnetische veld van de zon met een detailscherpte van 150 kilometer in kaart gaat brengen.

De NASA werkt aan het project STEREO: twee satellieten die vanuit twee punten in de aardbaan gelijktijdig de reuzenexplosies in de corona van de zon waarnemen. En de Europese ruimtevaartorganisatie ESA wil deze coronale massa-uitstotingen (CME's) gaan bestuderen met een verkenner die over de noordpool van de zon vliegt.