Nye øyne med IRIS

Mellom soloverflaten og den ytre, varme solatmosfæren ligger kromosfæren og transisjonslaget - et manglende mellomledd i forståelsen av atmosfæren til vår egen stjerne. Med den nye satellitten IRIS håper forskerne å få en ny forståelse av hvordan de ytre lagene av Solen mates med masse og energi. Solforskere fra Institutt for teoretisk astrofysikk ved Universitetet i Oslo er viktige bidragsytere til prosjektet.

Bilde av IRIS i renrom under testfasen. Solpanelene er slått ut. Bilde: LM photo

UiO med fra starten

IRIS-logoDen offisielle IRIS-logoen. UiO er med, se nede til høyre. Bildet av Solen som er brukt til logoen er forøvrig tatt av førsteamanuensis ved ITA Luc Rouppe van der Voort. Klikk på bildet for større versjon. Bilde: LMSAL.

Den 26. juni 2013 kl 18.30 California-tid sender NASA opp sitt nye romprosjekt Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS). Institutt for teoretisk astrofysikk (ITA) ved Universitetet i Oslo (UiO) er en viktig bidragsyter til IRIS-prosjektet. Professorene Mats Carlsson og Viggo Hansteen har vært med på dette prosjektet siden den første søknaden ble sendt til NASA i september 2007.

– Observasjonene fra IRIS vil fylle et tomrom i vår kunnskap om solatmosfæren, sier professor Mats Carlsson ved ITA.

Solgruppen ved ITA bidrar med programvare til omgjøring av IRIS-data til et leselig format og hurtigvisning av data, men ikke minst med numeriske simuleringer av solens ytre lag. I tillegg skal alle dataene fra satellitten lagres i et elektronisk arkiv som befinner seg ved instituttet. Norge bidrar også gjennom Norsk Romsenter med at data fra satellitten leses ned ved Kongsberg Satellite Services sine antenner på Svalbard

Koronaoppvarmingsproblemet

I Solens indre kjerne er det så varmt at hydrogenatomer smelter sammen. Denne sammensmeltningen frigjør energi i form av lyspartikler (fotoner) som stråler ut av Solens indre.

Den synlige overflaten på Solen (fotosfæren) er rundt 6000 grader varm. Like over fotosfæren finner vi kromosfæren som er opp mot 10 000 grader varm. Enda lenger ute kommer vi til transisjonslaget (overgangssonen) og deretter ut i koronaen, som er det det ytterste laget av solatmosfæren. I koronaen er temperaturen flere millioner grader. Det er i transisjonslaget temperaturen brått stiger til dette høye nivået.

Hvorfor temperaturen stiger når man beveger seg lenger bort fra Solen, er et mysterium som har opptatt solforskere siden det ble oppdaget like før 2. verdenskrig. Det vi vet er at den varme koronaen gjør at gass strømmer ut fra Solen med hastigheter høyere enn lydhastigheten. Dette danner solvinden: en strøm av ladete partikler som er kilden til nordlys og geomagnetiske stormer på Jorden.

Pegasus-raketten med IRISSnart klar. Pegasus-raketten som bærer de verdifulle instrumentene. Raketten vil festes under et spesialfly. Når flyet når en høyde på 40 000 fot, slippes raketten av og reiser videre opp i rommet for egen maskin. Selve instrumentene er innelukket i et renrom lengst til høyre på bildet her (foran på raketten). Klikk på bildet for større versjon. Foto: Viggo Hansteen/ITA.

Det mystiske grensesjiktet

Det viktigste vitenskapelige målet med IRIS er å oppnå en forståelse av hvordan den ytre solatmosfæren blir varmet opp. Forskerne trenger å vite mer om hvordan gassen sirkulerer mellom den lavere, relativt kjølige kromosfæren og den høyere, svært varme koronaen. 

Instrumentene ombord på IRIS har studier av kromosfæren og transisjonslaget som sitt hovedmål. Disse atmosfærelagene ligger i grensesjiktet («interface region» på engelsk) mellom Solens overflate og ytre atmosfære.

Det finnes flere solsatellitter i rommet allerede, som SDO og Hinode. For å forstå et av Solens vedvarende mysterier er likevel IRIS helt nødvendig.

Grensesjiktet fra Hinode-observasjoner.Grensesjiktet på Solen observert med Hinode. Det er dette området IRIS skal observere i fantastisk detalj. Vi kan se gassfingrene som strekker seg oppover. Klikk på bildet for større versjon. Bilde: JAXA/Hinode.

– For å forstå hvorfor den ytre delen av solatmosfæren er så varm, må vi forstå hvordan energien transporteres. IRIS vil studere lagene mellom fotosfæren og Solens korona, forteller Mats Carlsson.

De nedre lagene av Solens atmosfære (kromosfæren og transisjonslaget) er relativt tynne i forhold til koronaen. Mens koronaen sprer seg utover flere hundre tusen kilometer, er de nedre lagene bare noen tusen kilometer tykke. Det er likevel i de nedre lagene man må lete etter årsaken til koronaens varme.

Tettheten av gass er mye større i kromosfæren enn i koronaen. Dette gjør at kromosfæren trenger mer energi for å bli varmet opp enn det koronaen gjør. IRIS skal hjelpe forskerne å forstå hvordan energi fra Solen reiser gjennom grensesjiktet og hvordan koronaen kan varmes til så høye temperaturer.

- Vi kjenner ikke til de nøyaktige mekanismene for hvordan energien transporteres gjennom grensesjiktet opp til koronaen, ei heller hvordan den legges igjen der, forteller professor Viggo Hansteen ved ITA.
 
– Vi er imidlertid overbeviste om at Solens gassfingre, såkalte spicules, spiller en viktig en rolle, fortsetter han.

Gassfingre som strekker seg opp fra Solens overflate bidrar med stor sannsynlighet til oppvarmingen av koronaen. I et nylig doktorgradsarbeid ved ITA ble disse gassfingrene nøye studert.

IRIS kan ta bilder omtrent hvert eneste sekund. Dette er viktig, fordi forandringer i grensesjiktet skjer svært raskt.

Simuleringer og observasjoner hånd i hånd

Den øvre kromosfæren og transisjonslaget sender ikke ut særlig mye stråling i synlig lys, men heller i den ultrafiolette (UV) og i den ekstremt ultrafiolette (EUV) delen av det elektromagnetiske spekteret

Det har derfor blitt lagt ned mye arbeid i å lage såkalte syntetiske bilder, det vil si kunstige observasjoner som man produserer ved hjelp av avanserte numeriske datamodeller, eller simuleringer. Flere av disse kunstige bildene, blant annet filmen nedenfor, har blitt laget av solforskningsgruppen i Oslo.

Simulering av grensesjiktet (her de øvre delene av kromosfæren) i ultraviolett lys. Filmen er laget av Mats Carlsson ved ITA, UiO.

IRIS-prosjektet er et av de første der bruk av realistiske simuleringer er en naturlig og organisk del av prosjektet. De syntetiske datasettene brukes både til å planlegge de virkelige observasjonene og til tolkning av observasjonene når disse er samlet inn.

Forskerne kan også bruke simuleringene til å vise hvordan gassfingrene oppfører seg.

– Ved å sammenligne IRIS-observasjoner med det som skjer i våre numeriske simuleringer er det gode sjanser for at vi kan knekke koronaoppvarmingsproblemet, sier Viggo Hansteen.

Forskerne har også laget simuleringer av hvordan man tror energien blir transportert gjennom kromosfæren og transisjonslaget opp til koronaen. Simuleringene vil bli sammenlignet med observasjoner fra IRIS.

Dr. Alan Title er principal investigator for IRIS og fysiker ved ATC Solar and Astrophysics Laboratory i Palo Alto, California.

Tolkningen av IRIS-observasjonene er et omfattende arbeid, forteller han i en pressemelding fra Lockheed Martin, som har bygget satellitten.

– [Tolkningen vil] utnytte til fulle de mest avanserte numeriske ressursene i verden. Det er denne nye muligheten, sammen med utviklingen av toppmoderne koder og numeriske modeller ved Universitetet i Oslo som fanger kompleksiteten i denne regionen, som gjør IRIS-prosjektet mulig, fortsetter Title.

«Prepping» av data

Et viktig bidrag fra instituttet er programvare som inngår i dataprepareringskjeden.

Når observasjonsdata kommer direkte ned fra en satellitt, er de nemlig ikke i et format som er særlig hensiktsmessig til vitenskapelig bruk. De må derfor bearbeides før de blir gjort tilgjengelig, og det bør skje raskt. Solforskere over hele verden venter spent på å se dataene.

IRIS i clean roomIRIS i renrom et par uker før oppskytning. Her ser vi rett inn til instrumentene. Foran ser man døren inn til teleskopet, solcellepanelene ligger foldet inn mot teleskoprøret og blir først slått ut når IRIS er i bane. Klikk på bildet for større versjon. Foto: VIggo Hansteen/ITA.

Institutt for teoretisk astrofysikk bidrar med programvare for å visualisere observasjonene fra IRIS - om nødvendig kun kort tid etter at de er sendt ned fra satellitten.

Dette er viktig både for å kunne gjøre eventuelle endringer i neste runde med observasjoner, og for at forskere skal kunne bestemme seg for om et bestemt datasett inneholder observasjoner som de ønsker å analysere
videre.

Disse programvarebidragene er en videreføring av en lang tradisjon ved ITA. Instituttets deltakelse i solforskning fra rommet har aner helt tilbake til 70-tallet. På den tiden ble solobservasjonene gjort på fotografisk film i et kamera på romstasjonen. Filmene måtte fraktes ned fra romstasjonen av astronauter og sendes tilbake til Jorden sammen med dem.

Samler solobservasjoner på UiO

Fra før driver Institutt for teoretisk astrofysikk et elektronisk arkiv med observasjoner fra Hinode-satellitten. IRIS-observasjonene skal legges inn i det samme arkivet, slik at man kan søke etter både Hinode- og IRIS-observasjoner samtidig.

IRIS-forskerePå besøk hos IRIS like før. Tidlig i juni besøkte norske solforskerne Vandenberg Air Force Base i California, der IRIS skal skytes opp om få dager. Fra venstre: Professor Mats Carlsson og Viggo Hansteen ved ITA, tidligere stipendiat og post doc ved ITA Juan Martínez Sykora og vitenskapelig leder for IRIS og hyppig gjest ved ITA, Bart De Pontieu ved Lockheed-Martin Solar and Astrophysics Laboratory. Foto: ITA.

– Dette kan være svært nyttig for forskere, fordi man som regel kan få mye mer ut av observasjoner dersom flere instrumenter samarbeider, forteller leder ved arkivet Stein Vidar Hagfors Haugan

– Med IRIS-observasjonene lagt inn i Hinode-arkivet blir det mye lettere for forskerne å finne fram slike kombinerte datasett.

IRIS-observasjonene blir det første nye datasettet som legges inn i Hinode-arkivet, men etter hvert skal det komme data fra flere satellitter.

– På lang sikt er det faktisk mulig at så godt som alle solobservasjoner skal bli tilgjengelige gjennom arkivet, forteller Haugan.

Av Anna Kathinka Dalland Evans, Mats Carlsson, Viggo Hansteen og Stein Vidar Hagfors Haugan
Publisert 18. juni 2013 19:34 - Sist endret 8. aug. 2013 14:42