Hoe snelle elektronen in de zonnewind ontstaan

De zon stuurt voortdurend een stroom geladen deeltjes – voornamelijk elektronen en protonen – de ruimte in. Die stroom, de zonnewind, vult het volledige zonnestelsel en beïnvloedt ook de ruimte rond de aarde. Met behulp van grootschalige computersimulaties tonen onderzoekers van KU Leuven hoe zich in de zonnewind een opvallende groep hoogenergetische elektronen kan vormen.

De zon blaast onafgebroken plasma de ruimte in: een gas van elektrisch geladen deeltjes, vooral protonen en elektronen. Die zonnewind raast met honderden kilometers per seconde door het zonnestelsel en verspreidt zo ook het magnetische veld van de zon.

Wanneer de zonnewind de aarde bereikt, botst hij niet rechtstreeks op onze atmosfeer. Het aardmagnetisch veld vangt het grootste deel van de impact op. Toch kunnen sterke schommelingen in de zonnewind ons beschermende schild verstoren. Soms levert dat spectaculair poollicht op, maar in extreme gevallen kunnen ook satellieten, gps-systemen, radioverbindingen en het elektriciteitsnet verstoord worden.

Wetenschappers willen daarom beter begrijpen hoe de zonnewind ontstaat en hoe de energie erin wordt verdeeld. Daarbij bleef een belangrijke vraag lange tijd onbeantwoord: waarom hebben zoveel elektronen in de zonnewind veel meer energie dan wetenschappers verwachten?

Een aparte groep snelle elektronen

De meeste elektronen in de zonnewind gedragen zich zoals eenvoudige theoretische modellen voorspellen. Ze vormen de kernpopulatie van het plasma en dragen het grootste deel van de totale elektronenenergie. Maar metingen tonen aan dat er ook een aparte groep elektronen is die veel sneller bewegen en aanzienlijk meer energie dragen.

Die snelle elektronen spelen een belangrijke rol. Ze bepalen mee hoe warmte zich door de zonnewind verspreidt en beïnvloeden de elektrische velden in het plasma. Dat helpt op zijn beurt verklaren waarom de zonnewind blijft versnellen naarmate hij zich verder van de zon verwijdert. Inzicht in deze hoogenergetische elektronen leidt dan ook tot een beter begrip van de zonnewind als geheel.

Tot nu toe was het moeilijk te verklaren hoe deze snelle elektronen ontstaan. De zonnewind is allesbehalve een overzichtelijk, rustig systeem. Terwijl hij zich van de zon verwijdert, zet hij uit. Het magnetische veld verzwakt. De temperatuur verandert. Maar niet in alle richtingen op dezelfde manier. Je krijgt turbulentie, te vergelijken met een rivier vol draaikolken en stroomversnellingen. Zo’n systeem in een model gieten is bijzonder complex. Bovendien maken ook de eigenschappen van plasma de uitdaging groter: geladen deeltjes en elektromagnetische velden beïnvloeden elkaar voortdurend.

Drie processen in één simulatie

Onderzoekers van het Centre for Mathematical Plasma Astrophysics (CmPA) van KU Leuven zijn er naar eigen zeggen nu in geslaagd al die processen samen te brengen in één simulatie.

Eerdere modellen beschreven doorgaans slechts een deel van het probleem of vereenvoudigden de dynamica van ionen of elektronen – waarbij die laatste soms zelfs volledig buiten beschouwing bleven – om de berekeningen haalbaar te maken. Dat is begrijpelijk, want zulke simulaties vergen enorme rekenkracht. Tegelijk maakten die vereenvoudigingen het onmogelijk om de volledige dynamiek van de elektronen in beeld te brengen.

Daarom kozen de onderzoekers van KU Leuven voor een volledig kinetische aanpak. In hun model worden de bewegingen van individuele ionen en elektronen afzonderlijk gevolgd. Dat onderscheid is cruciaal, omdat elektronen veel lichter zijn dan ionen. Ze reageren sneller, bewegen zich op kleinere schaal en kunnen daardoor een heel ander gedrag vertonen.

De simulatie toont hoe drie processen elkaar beïnvloeden. Terwijl de zonnewind uitzet, verzwakt het magnetische veld. Daardoor koelt het plasma niet in alle richtingen op dezelfde manier af en krijg je instabiliteit. Tegelijk verwarmt turbulentie het plasma ongelijkmatig.

Hoogenergetische ‘staart’

Het meest opvallende resultaat is dat zich een hoogenergetische ‘staart’ van elektronen vormt: een afzonderlijke, ijle populatie van bijzonder energierijke elektronen. Analyses wijzen erop dat deze elektronen niet alleen van bewegingsrichting veranderen, maar ook extra energie opnemen. Elektrische velden of resonanties tussen deeltjes en plasmagolven spelen daarbij vermoedelijk een belangrijke rol.

De onderzoekers laten weten dat ook hun simulatie nog vereenvoudigingen bevat. Simulaties van ruimteplasma vragen zoveel rekenkracht dat bepaalde parameters nog niet volledig overeenkomen met die van de echte zonnewind. Toch toont deze studie voor het eerst, binnen één volledig kinetisch model, hoe hoogenergetische elektronen kunnen ontstaan in de zonnewind.