SPICE-Instrument liefert neue Einblicke in die Sonnenatmosphäre

Wir reden über das anfängliche Verbindungs-Mosaik, das vom SPICE-Instrument auf der Solar Orbiter-Mission erstellt wurde, und betonen seine Rolle beim Studium der Sonnenoberfläche und des Raums drumherum. Die SPICE-Beobachtungen vom 2. März 2022 liefern wertvolle Daten zur Sonnenatmosphäre und helfen, den Sonnenwind zu verstehen, den Strom geladener Partikel, der von der Sonne abgegeben wird.

#Einleitung

Die Heliosphäre ist ein Bereich um die Sonne, gefüllt mit Plasma niedriger Dichte, Strahlung, Staub und hochenergetischen Partikeln. Dieses Umfeld zu verstehen ist wichtig, da es die magnetische Aktivität der Sonne beeinflusst und verschiedene Himmelskörper darin betrifft. Die Solar Orbiter-Mission ist darauf ausgelegt, Einblicke in den Sonnenwind und seine Ursprünge zu geben. Mit einer Kombination aus Fernmessung und In-situ-Instrumenten gibt uns die Solar Orbiter die Chance, die Sonne detaillierter zu betrachten als je zuvor.

Das SPICE-Instrument, Teil dieser Mission, erfasst Bilder und Spektren der Sonne im extremen Ultraviolettbereich (EUV). Es deckt einen breiten Temperaturbereich ab, wodurch Wissenschaftler die Sonnenkorona und andere Schichten der Sonnenatmosphäre studieren können. Indem wir SPICE-Daten mit In-situ-Messungen verknüpfen, können wir besser verstehen, wie solare Aktivitäten mit Plasma-Phänomenen in der Heliosphäre zusammenhängen.

#Die Solar Orbiter-Mission

Die Solar Orbiter ist mit sechs Fernmessinstrumenten und vier In-situ-Instrumenten ausgestattet, die einen umfassenden Blick auf solare Plasma und Sonnenwind bieten. Diese Mission baut auf früheren Beobachtungen früherer Missionen wie Helios auf. Ihre einzigartige, ausserhalb der Ekliptik verlaufende Bahn ermöglicht es, die hochgradigen Polarregionen der Sonne zum ersten Mal zu beobachten.

SPICE spielt eine entscheidende Rolle beim Erfassen des extremen ultravioletten Lichts der Sonne. Das Instrument kann Karten der Temperatur und Zusammensetzung der Sonnenatmosphäre erstellen. Es produziert auch Doppler-Geschwindigkeitskarten, die helfen, Details über solare Aktivitäten und deren Auswirkungen auf den umgebenden Raum zu enthüllen.

#Datensammlung und Beobachtungen

SPICE kann in zwei verschiedenen Modi arbeiten: "Sit-and-Stare", wo das Instrument auf einen festen Punkt fokussiert, und "Rastering", wo es die Sonne in eine bestimmte Richtung scannt. Die am 2. März 2022 gesammelten Daten umfassten drei Rasterbeobachtungen über fast einen ganzen Tag.

In dieser Zeit waren zwei aktive Regionen auf der Sonne für SPICE sichtbar. Diese Regionen wurden von verschiedenen anderen Instrumenten an Bord des Solar Orbiter beobachtet, was einen Multi-Instrumenten-Ansatz zur Datenanalyse ermöglichte. Die SPICE-Beobachtungen führten zu Strahlungs-Karten, die gut mit früheren Daten übereinstimmten und die Effektivität des Instruments bestätigten.

#Solare Merkmale in den Beobachtungen

Die Studie konzentrierte sich auf zwei aktive Regionen, die mithilfe der NOAA-Datenbank für aktive Regionen identifiziert wurden. Diese Regionen werden als einfache Bipole klassifiziert, was bedeutet, dass sie eine klare Trennung der magnetischen Polaritäten zeigen. Durch die Analyse der Magnetfelder in diesen Regionen können wir beginnen, ihre Dynamik und ihr Verhalten zu verstehen.

#Datenanalyse

Um die gesammelten Daten zu analysieren, verwendeten Wissenschaftler verschiedene Methoden, um Plasma-Temperaturen zu diagnostizieren und die elementare Zusammensetzung zu studieren. Ein gängiger Ansatz besteht darin, Linienverhältnisse aus emittierten Spektrallinien zu verwenden, um die Plasma-Eigenschaften abzuleiten. Diese Methoden helfen, Bereiche unterschiedlicher elementarer Zusammensetzung und Temperaturen zu identifizieren, und geben Hinweise auf die physikalischen Prozesse, die im Spiel sind.

Die SPICE-Datenpipeline verbesserte die Datenqualität, indem sie mehrere Faktoren korrigierte, einschliesslich Dunkelstrom- und Flat-Field-Probleme. Allerdings bleiben einige Herausforderungen bestehen, hauptsächlich im Zusammenhang mit Rauschen in den Beobachtungen und der Reaktion des Instruments über die Zeit.

#Temperatur- und Zusammensetzungsdiagnostik

Temperaturdiagnosen können erstellt werden, indem die Verhältnisse der emittierten Spektrallinien desselben Elements untersucht werden. Zum Beispiel zeigte die Analyse der Beobachtungen, dass die Verhältnisse mit der Temperatur verknüpft waren und durchschnittliche Temperaturen von etwa 1 Million Kelvin in den aktiven Regionen offenbar wurden.

Neben den Temperaturdiagnosen ist die Bestimmung der Zusammensetzung der Sonnenatmosphäre ein wichtiges Ziel. Die Untersuchung des Effekts der ersten Ionisierungsenergie (FIP), bei dem bestimmte Elemente in der Sonnenkorona verstärkt auftreten, gibt Einblicke in die Prozesse, die den Sonnenwind formen.

#Strahlungskarten und Analysetechniken

Strahlungskarten sind wichtig, um die von SPICE gesammelten Daten zu visualisieren. Sie helfen, die Helligkeit der Sonnenatmosphäre bei verschiedenen Wellenlängen zu illustrieren. Die SPICE-Daten wurden mit früheren Beobachtungen verglichen, um die Ergebnisse zu validieren und die Messungen zu verfeinern.

Es wurden verschiedene Methoden angewendet, um die Daten weiter zu analysieren, einschliesslich der Zwei-Linien-Verhältnis-Methode, der inversen Differenzialemissionsmessung und der linearen Kombination von Verhältnissen. Jede dieser Techniken bietet einzigartige Vorteile und kann zusätzliche Schichten des Verständnisses über die Temperatur und Elementzusammensetzung der Sonnenatmosphäre liefern.

#Ergebnisse und Erkenntnisse

Die ersten Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass SPICE in der Lage ist, solare Strukturen zu erfassen und dass in den beobachteten aktiven Regionen isotherme Plasma-Bedingungen existieren. Höhere FIP-Bias-Werte wurden an den Fusspunkten der beobachteten koronalen Schleifen festgestellt, was darauf hinweist, dass diese Bereiche wichtig sind, um die Quellen des langsamen Sonnenwinds zu verstehen.

Der Vergleich mit anderen Instrumenten an Bord des Solar Orbiter bestätigte, dass die beobachteten Strahlungskarten mit hochauflösenden Daten übereinstimmten, wodurch die SPICE-Beobachtungen validiert wurden. Diese Korrelation deutet darauf hin, dass SPICE zuverlässig die Details der solaren Strukturen verfolgen kann.

#Zukünftige Schritte und Verbesserungen

Trotz der Herausforderungen, auf die während der Analyse gestossen wurde, wie zum Beispiel Unstimmigkeiten bei der Dunkelsubtraktion und Instrumentenrauschen, heben die Ergebnisse das Potenzial der SPICE-Beobachtungen hervor. Zukünftige Arbeiten werden sich darauf konzentrieren, die Datenverarbeitungspipeline zu verfeinern, bekannte Probleme zu korrigieren und die Techniken zur Datenanalyse zu verbessern.

Ein wichtiger nächster Schritt besteht darin, Ereignisse, die von SPICE beobachtet wurden, mit In-situ-Messungen zurückzukarten, wie z.B. von den Heavy Ion Sensoren des Solar Wind Analyzers. Dieser Vergleich wird helfen, die Verbindungen zwischen den Quellen des Sonnenwinds und den Beobachtungen von Raumfahrzeugen herzustellen.

Darüber hinaus wird die weitere Analyse darauf abzielen, zu verstehen, wie Veränderungen in den elementaren Häufigkeiten mit Sonnenwinden und dem magnetischen Umfeld in der Heliosphäre zusammenhängen. Die Zusammenarbeit mit anderen Instrumenten und das Einbeziehen umfassenderer Datensätze werden die zukünftigen Forschungsbemühungen stärken.

#Fazit

Zusammenfassend sind die SPICE-Verbindungs-Mosaike ein wichtiger Schritt, um solare Beobachtungen mit der Heliosphäre zu verknüpfen. Die ersten Ergebnisse zeigen die Fähigkeit von SPICE, kritische Informationen über die Sonnenatmosphäre und ihre Zusammensetzung zu erfassen. Indem diese Beobachtungen mit In-situ-Messungen verbunden werden, können Forscher ihr Verständnis des Sonnenumfelds und dessen Einfluss auf die Heliosphäre vertiefen.

Diese Analyse markiert einen wichtigen Meilenstein, da sie die Bühne für zukünftige Beobachtungen und Studien bereitet, die das komplexe Zusammenspiel zwischen der Sonne und ihrem umgebenden Raum weiter aufdecken werden. Die laufenden Bemühungen zur Verfeinerung der Datensammlung und Analysetechniken werden unser Wissen über solare Dynamiken und deren Auswirkungen auf Weltraumwetter und planetarische Umgebungen verbessern.

Durch die kontinuierliche Erforschung der Sonnenatmosphäre sind die Wissenschaftler gut positioniert, um die zentralen Fragen zur solarterrestrischen Physik in den kommenden Jahren zu adressieren.