Forskere tilbyder et hidtil uset kig på central motor, der driver et soludbrud

I en undersøgelse offentliggjort i Natur astronomi , et internationalt hold af forskere har præsenteret en ny, detaljeret kig inde i den "centrale motor" af et stort soludbrud ledsaget af et kraftigt udbrud, først fanget den 10. september, 2017 af Owens Valley Solar Array (EOVSA) - et solar-radioteleskopanlæg drevet af New Jersey Institute of Technologys (NJIT) Center for Solar-Terrestrial Research (CSTR).

De nye resultater, baseret på EOVSA's observationer af hændelsen ved mikrobølgelængder, tilbyde de første målinger, der karakteriserer de magnetiske felter og partikler i hjertet af eksplosionen. Resultaterne har afsløret et enormt elektrisk strøm "ark", der strækker sig mere end 40, 000 kilometer gennem kernen, hvor modsatte magnetfeltlinjer nærmer sig hinanden, bryde og genoprette forbindelsen, genererer den intense energi, der driver blusset.

Især holdets målinger indikerer også en magnetisk flaskelignende struktur placeret i toppen af ​​flarens løkkeformede base (kendt som flare arcade) i en højde på næsten 20, 000 kilometer over Solens overflade. Strukturen, holdet foreslår, er sandsynligvis det primære sted, hvor flammens meget energiske elektroner fanges og accelereres til næsten lysets hastighed.

Forskere siger, at undersøgelsens nye indsigt i den centrale motor, der driver så kraftige udbrud, kan hjælpe fremtidige rumvejr forudsigelser for potentielt katastrofale energiudslip fra soludbrud - solsystemets mest kraftfulde eksplosioner, i stand til alvorligt at forstyrre teknologier på Jorden, såsom satellitoperationer, GPS-navigations- og kommunikationssystemer, blandt mange andre.

"Et af hovedmålene med denne forskning er at bedre forstå den grundlæggende fysik af soludbrud, sagde Bin Chen, papirets hovedforfatter og professor i fysik ved NJIT. "Det har længe været antydet, at den pludselige frigivelse af magnetisk energi gennem gentilslutningsstrømpladen er ansvarlig for disse store udbrud, alligevel har der ikke været nogen måling af dens magnetiske egenskaber. Med denne undersøgelse har vi endelig for første gang målt detaljerne i magnetfeltet i et aktuelt ark, giver os en ny forståelse af den centrale motor i Solens store udbrud."

"Stedet, hvor al energien er lagret og frigivet i soludbrud, har været usynlig indtil nu... For at spille på et udtryk fra kosmologi, det er solens mørke energiproblem, ' og tidligere har vi været nødt til indirekte at udlede, at blussets magnetiske genforbindelsesark eksisterede, " sagde Dale Gary, EOVSA direktør hos NJIT og medforfatter til papiret. "EOVSA's billeder lavet ved mange mikrobølgefrekvenser viste, at vi kan fange radioemissioner for at belyse denne vigtige region. Når vi havde disse data, og analyseværktøjerne skabt af medforfatterne Gregory Fleishman og Gelu Nita, vi var i stand til at begynde at analysere strålingen for at muliggøre disse målinger."

Tidligere i år i bladet Videnskab , holdet rapporterede, at det endelig kunne levere kvantitative målinger af den udviklende magnetiske feltstyrke direkte efter flammens antændelse.

Fortsætter deres efterforskning, holdets seneste analyse kombinerede numeriske simuleringer udført på Center for Astrofysik | Harvard &Smithsonian (CfA) med EOVSA's spektrale billeddannelsesobservationer og multibølgelængdedata – der spænder over radiobølger til røntgenstråler – indsamlet fra soludbrud i X8.2-størrelse. Opblussen er den næststørste, der er sket fra den seneste 11-årige solcyklus, opstår med en hurtig koronal masseudstødning (CME), der drev et storstilet stød i den øvre solkorona.

Blandt undersøgelsens overraskelser, forskerne fandt ud af, at den målte profil af det magnetiske felt langs flarens aktuelle ark har nøje overensstemmelse med forudsigelser fra holdets numeriske simuleringer, som var baseret på en velkendt teoretisk model til at forklare soludbrudsfysik, først foreslået i 1990'erne med en analytisk form.

"Det overraskede os, at den målte magnetfeltprofil af det nuværende ark smukt matchede den teoretiske forudsigelse, der blev lavet for årtier siden, " sagde Chen.

"Kraften af ​​Solens magnetfelt spiller en nøglerolle i at accelerere plasma under et udbrud. Vores model blev brugt til at beregne fysikken af ​​de magnetiske kræfter under dette udbrud, som viser sig som et stærkt snoet 'reb' af magnetiske feltlinjer, eller magnetisk flux reb, " forklarede Kathy Reeves, astrofysiker ved CfA og medforfatter til undersøgelsen. "Det er bemærkelsesværdigt, at denne komplicerede proces kan fanges af en ligetil analytisk model, og at de forudsagte og målte magnetfelter matcher så godt."

Simuleringerne, udført af Chengcai Shen på CfA, blev udviklet til numerisk at løse styrende ligninger for at kvantificere opførselen af ​​elektrisk ledende plasma gennem flarens magnetfelt. Ved at anvende en avanceret beregningsteknik kendt som "adaptive mesh raffinement, "holdet var i stand til at løse det tynde genforbindelsesstrømark og fange dets detaljerede fysik på superfine rumlige skalaer til under 100 kilometer.

"Vores simuleringsresultater matcher både den teoretiske forudsigelse af magnetfelts konfiguration under et soludbrud og gengiver et sæt observerbare træk fra denne særlige flare, inklusive magnetisk styrke og plasma-indstrømning/-udstrømning omkring det gentilsluttede strømark, " bemærkede Shen.

Chokerende målinger

Holdets målinger og matchende simuleringsresultater afslørede, at blussets nuværende ark har et elektrisk felt, der producerer en chokerende 4, 000 volt per meter. Et så stærkt elektrisk felt er til stede over en 40, 000 kilometer region, større end længden af ​​tre jorder placeret sammen side om side.

Analysen viste også, at en enorm mængde magnetisk energi blev pumpet ind i det nuværende ark med en anslået hastighed på 10-100 milliarder billioner (10 ²² -10 ²³ ) joule per sekund – dvs. mængden af ​​energi, der behandles ved blussets motor, inden for hvert sekund, svarer til den samlede energi, der frigives ved eksplosionen af ​​omkring hundrede tusinde af de kraftigste brintbomber (50-megaton-klasse) på samme tid.

"Sådan en enorm energifrigivelse ved det nuværende ark er overvældende. Det stærke elektriske felt, der genereres der, kan nemt accelerere elektronerne til relativistiske energier, men den uventede kendsgerning, vi fandt, var, at den elektriske feltprofil i den nuværende arkregion ikke faldt sammen med den rumlige fordeling af relativistiske elektroner, som vi målte, " sagde Chen. "Med andre ord, noget andet skulle være på spil for at accelerere eller omdirigere disse elektroner. Hvad vores data viste, var en speciel placering i bunden af ​​det aktuelle ark - den magnetiske flaske - ser ud til at være afgørende for at producere eller begrænse de relativistiske elektroner."

"Mens det nuværende ark ser ud til at være stedet, hvor energien frigives for at få bolden til at rulle, det meste af elektronaccelerationen ser ud til at forekomme på dette andet sted, den magnetiske flaske. ... Lignende magnetiske flasker er under udvikling til at indeslutte og accelerere partikler i nogle laboratoriefusionsreaktorer." tilføjede Gary. "Andre har før foreslået en sådan struktur i soludbrud, men vi kan virkelig se det nu i tallene."

Cirka 99% af flarens relativistiske elektroner blev observeret samle sig ved den magnetiske flaske under hele varigheden af ​​den fem minutter lange emission.

For nu, Chen siger, at gruppen vil være i stand til at anvende disse nye målinger som en sammenlignende baseline for at studere andre soludbrudsbegivenheder, samt udforske den nøjagtige mekanisme, der accelererer partikler ved at kombinere de nye observationer, numeriske simuleringer og avancerede teorier. På grund af EOVSA's banebrydende kapaciteter, NJIT blev for nylig udvalgt til at deltage i et fælles NASA/NSF DRIVE Science Center Collaboration on Solar Flare Energy Release (SolFER).

"Vores mål er at udvikle en fuld forståelse af soludbrud, fra deres initiering, indtil de til sidst sprøjter partikler med høj energi ud i solvinden, og til sidst, ind i jordens rummiljø, " sagde Jim Drake, professor i fysik ved University of Maryland og hovedforsker af SolFER, som ikke var involveret i denne undersøgelse. "Disse første observationer tyder allerede på, at relativistiske elektroner kan være fanget i en stor magnetisk flaske produceret, når koronaens magnetfelter 'genopretter forbindelse' for at frigive deres energi ... EOVSA-observationerne vil fortsætte med at hjælpe os med at optrevle, hvordan magnetfeltet driver disse energiske elektroner."

"Yderligere undersøgelse af den magnetiske flaskes rolle i partikelacceleration og transport vil kræve mere avanceret modellering for at sammenligne med EOVSA's observationer, " sagde Chen. "Der er helt sikkert enorme perspektiver derude for os at studere, der adresserer disse grundlæggende spørgsmål."