Kijken in de zon

De zon is op dit moment onrustig. Het hoogtepunt nadert van de zogeheten zonnecyclus, de elfjarige cyclus van zonneactiviteit. Daardoor zijn er aan de lopende band uitbarstingen op het oppervlak. Deze kolossale explosies (vaak een aantal keer de grootte van de aarde) schieten geladen deeltjes, zoals elektronen en protonen, met hoge snelheid de ruimte in. Als zo’n deeltjesgolf de aarde raakt, dan veroorzaakt die prachtige poollichten, zoals afgelopen mei, toen de lucht in ons land groen en paars kleurde. Maar deze zonnestormen kunnen ook ellende brengen: elektronica, satellieten, elektriciteitskabels en communicatielijnen zijn er gevoelig voor en kunnen er zelfs stuk van gaan.

We weten weinig over de oorsprong van zonnestormen en hoe ze zo gewelddadig kunnen uithalen. Zo is het onduidelijk waarom er elke elf jaar zoveel van deze uitbarstingen zijn. Momenteel naderen we zo'n hoogtepunt van de zonnecyclus, terwijl er over enkele jaren amper nog uitbarstingen op het oppervlak zullen zijn. De zonnecyclus is een hot item van het zonne-onderzoek. De verklaring ligt in onze ster verscholen. Maar hoe kijk je in een ster?

Trillingen

Met de huidige technologie is het uitgesloten dat we in het binnenste van de zon metingen doen. Alleen de zon benáderen is al lastig zat. Het dichtstbij komt tot nu toe de Parker Solar Probe, die de zon komend jaar tot zo’n zeven miljoen kilometer nadert (dit is minder dan vijf procent van de afstand tussen de aarde en de zon). Het speciale hitteschild van de sonde krijgt een temperatuur te verduren van zo’n 1400 graden Celsius.

Toch lukt het wetenschappers de zon te ‘openen’ via iets dat helioseismologie heet, ofwel het minutieus bestuderen van trillingen aan het oppervlak van de ster. Helioseismologen zijn niet geïnteresseerd in het furieus kolken van het steroppervlak – wat óók gebeurt – maar juist in het gestaag op en neer deinen van het oppervlak. Dat gebeurt als gevolg van processen die zich honderdduizenden kilometers dieper plaatsvinden. De snelheid van deze oppervlaktetrillingen zit in de ordegrootte van tientallen centimeters per seconde.

Sarbani Basu, hoogleraar astronomie aan de Amerikaanse Yale University, is gespecialiseerd in helioseismologie. Zij vergelijkt de zon met een muziekinstrument dat specifieke tonen produceert. “De zon trilt met bepaalde frequenties. We zien dit via het zogenoemde dopplereffect terug in subtiele veranderingen in de kleur van het zonlicht. Sommige van die trillingen blijven dichtbij het oppervlak, andere gaan vrijwel helemaal door tot de kern.” Omdat de voortplantingssnelheid van dit soort golven afhangt van de dichtheid en temperatuur van de zon op bepaalde plekken in de zon, bevat die informatie over de eigenschappen van het zonnemateriaal op verschillende dieptes.

Hotspots

Inmiddels weten onderzoekers daardoor behoorlijk precies hoe de zon is opgebouwd, en waar de mogelijke hotspots zitten voor het mechanisme dat de elfjarige zonnecyclus veroorzaakt. In het binnenste van de zon vinden we de kern, met 15 miljoen graden de heetste plek waar door de gigantische druk waterstofatomen fuseren tot helium. Het is deze zogenoemde kernfusie die de zon doet branden. Na de kern volgt een brede stralingszone die warmte uit de kern naar buiten transporteert via lichtdeeltjes, die zich er een zeer chaotische weg doorheen banen.

De zonne-atmosfeer is de plek waar de zon het meest gewelddadig is. Heftige uitbarstingen van zonneplasma groeien uit tot meerdere keren het formaat van de aarde. De energie van een enkele explosie kan vergelijkbaar zijn met die van tientallen miljarden zware atoombommen. Wat we weten, is dat de plekken van dit soort erupties samenhangen met de locaties van zogeheten zonnevlekken. Hier koelt de zon lokaal dagen tot maanden doorgaans enkele duizenden graden af ten opzichte van de rest van het oppervlak. Zonnevlekken zijn te zien als donkere vlekken; het is alsof de zon hier even een beetje uitgaat. Iets voorkomt dat hitte vanuit het binnenste van de ster het oppervlak bereikt.

Dynamo

Duidelijk is dat het magnetisch veld van de zon hier een rol speelt: in zonnevlekken concentreert het magneetveld zich namelijk. Het mechanisme daarachter is onbekend. Wetenschappers zoeken al tientallen jaren naar de ‘magnetische dynamo’ die het ontstaan van zonnevlekken en uitbarstingen op het zonne-oppervlak aandrijft. Een eigenaardigheid is dat deze dynamo elke elf jaar stilvalt en weer opstart: dit is het ritme van de zonnevlekken die de mens al duizenden jaren ziet op de zon. Basu zegt dat wetenschappers in de buitenste lagen van de zon stromingen van plasma zien van de evenaar naar de polen en weer terug. Het ‘ritme’ van die stromingen is pakweg weg elf jaar. “Dit geeft misschien een hint voor de oorsprong van zonneactiviteit, maar de vraag blijft of dit soort stromingen er een oorzaak of juist een gevolg van zijn”, laat Basu weten.

Al lang is ook de zogenoemde tachocline in beeld als mogelijke plek voor de dynamo van de zon en de zonnevlekken. Dit is een relatief dunne laag op een diepte van 200.000 kilometer, precies tussen de stralings- en convectiezone. Hier gaat het binnenste van de zon – dat zich in feite gedraagt als een solide bol – over in de zeer beweeglijke convectiezone. Omdat lagen van geladen plasma hier met verschillende snelheden over elkaar schuiven, kan dit magnetische velden opwekken en versterken.

Toch zijn er problemen met het verklaren van de zonnedynamo met het duw- en trekwerk van het plasma diep in de zon. Zo zijn computermodellen niet in overeenstemming met de waargenomen stromingspatronen in de zon. Dat beschreef een team van Amerikaanse en Britse wetenschappers eerder dit jaar in Nature. Niet alleen draaien de buitenste lagen van de zon op verschillende snelheden rond, afhankelijk van de breedtegraad (de afstand tot de evenaar), deze snelheden veranderen ook door de jaren heen. Deze snelheidsveranderingen hebben volgens de onderzoekers een duidelijk link met de zonnecyclus.

Belangrijke laag

Nieuwe simulaties wijzen nu op een zonnecyclus met een oorsprong dichter bij het oppervlak, in de buitenste vijf tot tien procent van de zon. Ook hier schuiven plasmalagen met verschillende snelheden over elkaar heen. Waarnemingen laten zien dat de snelheden van die lagen in de loop van de jaren veranderen én dat dit samenhangt met de plekken waar zonnevlekken verschijnen. “Ons onderzoek laat zien dat het zonneplasma hier instabiel en turbulent kan worden en dit soort stromingen veroorzaakt. Deze laag zou daarom erg belangrijk kunnen zijn voor de zonnecyclus”, laat Nic Brummell weten, hoogleraar toegepaste wiskunde aan de Amerikaanse University of California en een van de auteurs van het artikel.

Hoe belangrijk is het voorspellen van ruimteweer eigenlijk? “Een uitbarsting op de zon kan onze planeet in vijftien uur bereiken. Dat is niet genoeg om satellieten te verplaatsen of om grote elektronische systemen te beveiligen”, zegt Brummell. “Een zonnestorm kan veel schade toebrengen, zeker als onze wereld nóg meer afhankelijk wordt van systemen in de ruimte.”