Forskere afslører oprindelsen af ​​Suns hvirvlende spicules

På ethvert givet tidspunkt, så mange som 10 millioner vilde stråler af solmateriale sprang fra solens overflade. De bryder ud så hurtigt som 60 miles i sekundet, og kan nå længder på 6, 000 miles før den kollapser. Disse er spicules, og på trods af deres græslignende overflod, videnskabsmænd forstod ikke, hvordan de dannes. Nu, for første gang, en computersimulering - så detaljeret, at det tog et helt år at køre - viser, hvordan spikler dannes, hjælper videnskabsmænd med at forstå, hvordan spicules kan bryde fri af solens overflade og stige opad så hurtigt.

Dette arbejde var baseret på observationer med høj kadence fra NASA's Interface Region Imaging Spectrograph, eller IRIS, og det svenske 1-meters solteleskop i La Palma, på De Kanariske Øer. Sammen, rumfartøjet og teleskopet kigger ind i de nederste lag af solens atmosfære, kendt som grænsefladeregionen, hvor der dannes spikler. Resultaterne af denne NASA-finansierede undersøgelse blev offentliggjort i Videnskab den 22. juni, 2017 – en speciel tid på året for IRIS-missionen, der fejrer sit fire års jubilæum i rummet den 26. juni.

"Numeriske modeller og observationer går hånd i hånd i vores forskning, sagde Bart De Pontieu, en forfatter til undersøgelsen og IRIS videnskabsleder ved Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory, i Palo Alto, Californien. "Vi sammenligner observationer og modeller for at finde ud af, hvor godt vores modeller klarer sig, og at forbedre modellerne, når vi ser store uoverensstemmelser."

At observere spicules har været et vanskeligt problem for forskere, der ønsker at forstå, hvordan solmateriale og energi bevæger sig gennem og væk fra solen. Spikler er forbigående, dannes og falder sammen i løbet af blot fem til 10 minutter. Disse spinkle strukturer er også svære at studere fra Jorden, hvor atmosfæren ofte slører vores teleskopers udsyn.

Et team af forskere har arbejdet på denne særlige model i næsten et årti, prøver igen og igen at skabe en version, der ville skabe spicules. Tidligere versioner af modellen behandlede grænsefladeregionen, den nedre solatmosfære, som en varm gas af elektrisk ladede partikler – eller mere teknisk, et fuldt ioniseret plasma. Men forskerne vidste, at der manglede noget, fordi de aldrig så spikler i simuleringerne.

Nøglen, forskerne indså, var neutrale partikler. De var inspireret af Jordens egen ionosfære, et område i den øvre atmosfære, hvor interaktioner mellem neutrale og ladede partikler er ansvarlige for mange dynamiske processer.

Forskerholdet vidste, at i køligere områder af solen, såsom grænsefladeregionen, ikke alle gaspartikler er elektrisk ladede. Nogle partikler er neutrale, og neutrale partikler er ikke udsat for magnetiske felter, som ladede partikler er. Forskere havde baseret tidligere modeller på et fuldt ioniseret plasma for at forenkle problemet. Ja, inklusive de nødvendige neutrale partikler var meget beregningsmæssigt dyrt, og den endelige model tog omkring et år at køre på Pleiades supercomputeren placeret på NASAs Ames Research Center i Silicon Valley, og som støtter hundredvis af videnskabs- og ingeniørprojekter til NASA-missioner.

Modellen begyndte med en grundlæggende forståelse af, hvordan plasma bevæger sig i solens atmosfære. Konstant konvektion, eller kogning, af materiale i hele solen genererer øer af sammenfiltrede magnetfelter. Når kogning fører dem op til overfladen og længere ind i solens lavere atmosfære, magnetiske feltlinjer snapper hurtigt tilbage på plads for at løse spændingen, udstøder plasma og energi. Ud af denne vold, en spicule er født. Men at forklare, hvordan disse komplekse magnetiske knob rejser sig og snapper, var den vanskelige del.

"Normalt er magnetiske felter tæt koblet til ladede partikler, " sagde Juan Martínez-Sykora, hovedforfatter af undersøgelsen og en solfysiker ved Lockheed Martin og Bay Area Environmental Research Institute i Sonoma, Californien. "Med kun ladede partikler i modellen, magnetfelterne sad fast, og kunne ikke stige ud over solens overflade. Når vi tilføjede neutrale, magnetfelterne kunne bevæge sig mere frit."

Neutrale partikler giver den opdrift, de knudrede knuder af magnetisk energi har brug for for at stige gennem solens kogende plasma og nå kromosfæren. der, de knækker i spidser, frigiver både plasma og energi. Friktion mellem ioner og neutrale partikler opvarmer plasmaet endnu mere, både i og omkring spidserne.

With the new model, the simulations at last matched observations from IRIS and the Swedish Solar Telescope; spicules occurred naturally and frequently. The 10 years of work that went into developing this numerical model earned scientists Mats Carlsson and Viggo H. Hansteen, both authors of the study from the University of Oslo in Norway, the 2017 Arctowski Medal from the National Academy of Sciences. Martínez-Sykora led the expansion of the model to include the effects of neutral particles.

The scientists' updated model revealed something else about how energy moves in the solar atmosphere. It turns out this whip-like process also naturally generates Alfvén waves, a strong kind of magnetic wave scientists suspect is key to heating the sun's atmosphere and propelling the solar wind, which constantly bathes our solar system and planet with charged particles from the sun.

"This model answers a lot of questions we've had for so many years, " De Pontieu said. "We gradually increased the physical complexity of numerical models based on high-resolution observations, and it is really a success story for the approach we've taken with IRIS."

The simulations indicate spicules could play a big role in energizing the sun's atmosphere, by constantly forcing plasma out and generating so many Alfvén waves across the sun's entire surface.

"This is a major advance in our understanding of what processes can energize the solar atmosphere, and lays the foundation for investigations with even more detail to determine how big of a role spicules play, " said Adrian Daw, IRIS mission scientist at NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "A very nice result on the eve of our launch anniversary."