Simulaties van door protonen aangedreven instabiliteit in de zonnewind

2023-2024
De zonnewind is de continue stroom van elektronen en ionen die uit de Zon stroomt en de interplanetaire ruimte vult. Recente waarnemingen van NASA's ruimtesonde Parker Solar Probe (PSP) hebben nu een nieuwe populatie van protonen geïdentificeerd die met zeer hoge snelheden bewegen in vergelijking met de “stille” zonnewind.

Deze populatie is aanzienlijk heter in de richting loodrecht op het magnetische veld dat zich uitstrekt vanaf de Zon en de heliosfeer doordringt. Dit kenmerk veroorzaakt instabiliteit die we bestuderen met numerieke simulaties.

Nieuw ontdekte protonpopulaties in de interplanetaire ruimte

Protonpopulaties in de zonnewind worden meestal gevonden in een rustige en willekeurig bewegende staat (die we “kern” noemen) of als snelbewegende, gefocuste “bundels” van deeltjes langs een specifieke richting.

De nieuw ontdekte populatie bevindt zich daarentegen in een soort tussenliggende staat, genaamd “hammerhead” (“hamerkop”) vanwege de eigenaardige vorm die het aanneemt in waargenomen gegevens (Fig. 2). Deze populatie vertoont temperatuur-anisotropie, wat betekent dat de lokale temperatuur hoger is wanneer deze wordt gemeten in de richting loodrecht op het lokale magnetische veld.

Het begrijpen van de mechanismen die verantwoordelijk zijn voor het genereren van hammerheads is cruciaal voor het ontrafelen van de processen die verwarming en versnelling in de zonnewind bepalen.

Onderzoek naar de zonnewind met numerieke simulaties

Om de vorming van hammerheads te bestuderen, hebben we protonen gesimuleerd vanuit begincondities zoals waargenomen in de binnenste heliosfeer, met een kern- en bundelstructuur (maar zonder hammerhead) en met temperatuur-anisotropie.

Onze berekeningen toonden aan dat een hammerhead-populatie zich op natuurlijke wijze ontwikkelt vanuit de beginstaat via fundamentele plasma-instabiliteiten die worden aangedreven door de anisotropie. De driftende protonenbundel ondergaat ontspanning: deze wekt magnetosonische en whistler-golven op (Fig. 3), die resoneren met de bundelprotonen en ze naar hogere energieën verstrooien.

Dit proces creëert een dichtere regio in de snelheidsruimte die doet denken aan de waargenomen hammerhead (Fig. 4).

Onze simulaties geven ook aan dat de hammerhead zich slechts gedeeltelijk via dit proces ontwikkelt. Extra vrije energie kan nodig zijn om de volledige ontwikkeling van de hammerhead-structuur in stand te houden. Deze energie zou mogelijk afkomstig kunnen zijn van externe bronnen, zoals kleinschalige golven die worden gegenereerd door het verval van grotere golven, of door expansie en turbulente interacties in de zonnewind.

 

Referenties

  • Pezzini L., Zhukov A.N., Bacchini F., Arrò G., López R.A., Micera A., Innocenti M.E., Lapenta G. (2024), Fully Kinetic Simulations of Proton-beam-driven Instabilities from Parker Solar Probe Observations, The Astrophysical Journal 975, 37
     
  • Pierrard V., Péters de Bonhome M., Halekas J., Audoor C., Whittlesey P. and Livi R. (2023), Exospheric Solar Wind Model Based on Regularized Kappa Distributions for the Electrons Constrained by Parker Solar Probe Observations, Plasma, 6, 518
     
  • Verniero J.L., Chandran B.D.G., Larson, D.E., Paulson K., Alterman B.L., Badman S., Bale S.D., Bonnell J.W., Bowen T.A., Dudok de Wit T., Kasper J.C., Klein K.G., Lichko E., Livi R., McManus M.D., Rahmati A., Verscharen D., Walters J., Whittlesey P.L. (2022), Strong Perpendicular Velocity-space Diffusion in Proton Beams Observed by Parker Solar Probe, The Astrophysical Journal 924, 2
Continue stroom van elektronen en ionen die uit de Zon stroomt
De zonnewind is de continue stroom van elektronen en ionen die uit de Zon stroomt en de interplanetaire ruimte vult.
Waarneming van de protonensnelheidsverdeling van PSP
Figuur 2. Waarneming van de protonensnelheidsverdeling van PSP, met een kern- (core), bundel- (beam) en hammerhead-populatie.
Fundamentele plasma-instabiliteit in onze simulaties
Figuur 3. Fundamentele plasma-instabiliteit in onze simulaties wekken golven op die interageren met kern- en bundelprotonen.
Protonensnelheidsverdeling in onze simulatie
Figuur 4. Protonensnelheidsverdeling in onze simulatie, na de golf-proton-interactie, die licht langgerekte structuren creëert die lijken op de hammerhead.