I første, videnskabsmænd sporer de hurtigste solpartikler til deres rødder på Solen

Zipper gennem rummet tæt på lysets hastighed, Solenergipartikler, eller SEP'er, er en af ​​hovedudfordringerne for fremtiden for menneskelig rumflyvning. Skyer af disse små solprojektiler kan nå Jorden - en rejse på 93 millioner miles - på under en time. De kan stege følsom rumfartøjselektronik og udgøre alvorlige risici for menneskelige astronauter. Men deres begyndelse er usædvanlig svær at forudsige, dels fordi vi stadig ikke ved præcis, hvor på Solen de kommer fra.

En ny undersøgelse, der sporer tre SEP-udbrud tilbage til Solen, har givet det første svar.

"Vi har for første gang været i stand til at udpege de specifikke kilder til disse energiske partikler, " sagde Stephanie Yardley, rumfysiker ved University College London og medforfatter til papiret. "Forståelse af kilderegionerne og fysiske processer, der producerer SEP'er, kan føre til forbedret forudsigelse af disse begivenheder." Studieforfatterne David Brooks, rumfysiker ved George Mason University i Washington, D.C., og Yardley publicerede deres resultater i Videnskabens fremskridt den 3. marts, 2021.

SEP'er kan skyde ud fra Solen i alle retninger; at fange en i det store rum er ingen lille bedrift. NASA's Heliophysics System Observatory - en voksende flåde af sol-studerende rumfartøjer, strategisk placeret i hele solsystemet – blev til dels designet til at øge chancerne for disse heldige møder.

Forskere har opdelt SEP-begivenheder i to hovedtyper:impulsive og gradvise. Impulsive SEP-begivenheder sker normalt efter soludbrud, de lyse blink på Solen frembragt af bratte magnetiske udbrud.

"Der er denne virkelig skarpe spids, og derefter et eksponentielt henfald med tiden, " sagde Lynn Wilson, projektforsker for Wind-rumfartøjet ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

Gradvise SEP'er varer længere, nogle gange i dagevis. De kommer i store sværme, gør eksplosionerne til en større risiko for astronauter og satellitter. Gradvise SEP'er skubbes frem bagfra af koronale masseudstødninger, eller CME'er - store faner af solmateriale, der bølger gennem rummet som en flodbølge. SEP'erne opfører sig som surfere, fanget af den bølge og drevet til utrolige hastigheder.

Det største mysterium ved gradvise SEP'er er ikke, hvad der fremskynder dem, men hvor de kommer fra i første omgang. Af årsager, der stadig ikke er helt forstået, SEP'er indeholder en anden blanding af partikler end det andet solmateriale, der strømmer fra Solen i solvinden - færre kulstof, svovl, og fosforioner, for eksempel. Nogle videnskabsmænd har mistanke om, at de er skåret af et helt andet klæde, dannes i et andet træk eller lag af Solen end resten af ​​solvinden.

For at finde ud af, hvor SEP'er kommer fra, Brooks og Yardley sporede gradvise SEP-begivenheder fra januar 2014 tilbage til deres oprindelse på Solen.

De startede med NASAs Wind-rumfartøj, som kredser ved L1 Lagrange-punktet omkring 1 million miles tættere på Solen, end vi er. Et af Winds otte instrumenter er Energetic Particles:Acceleration, Sammensætning, og transport, eller EPACT-instrument, som har specialiseret sig i at opdage SEP'er. EPACT fangede tre stærke SEP-sprængninger den 4. januar, 6 og 8.

Vindens data viste, at disse SEP-begivenheder faktisk havde et specifikt "fingeraftryk" - en anden blanding af partikler, end der typisk findes i solvinden.

"Der er ofte mindre svovl i SEP'er sammenlignet med solvinden, nogle gange meget mindre," sagde Brooks, hovedforfatter af papiret. "Dette er et unikt fingeraftryk af SEP'er, der giver os mulighed for at søge efter steder i solens atmosfære, hvor der også mangler svovl."

De henvendte sig til JAXA/NASA's Sun-watching Hinode rumfartøj, et observatorium, hvor Brooks tjener en kritisk operationel rolle for NASA fra Japan. Hinode så Active Region 11944, et lyst område med stærkt magnetfelt med en stor mørk solplet synlig fra Jorden. AR 11944 havde produceret adskillige store flares og CME'er i begyndelsen af ​​januar, der frigav og fremskyndede SEPs Wind observeret.

Hinode's Extreme Ultraviolet Imaging Spectrometer, eller EIS-instrument, scannede det aktive område, bryde lyset i spektrallinjer, der bruges til at identificere specifikke elementer. De ledte efter steder i den aktive region med et matchende fingeraftryk, hvor den specifikke blanding af elementer stemte overens med det, de så i Winds data.

"Denne type forskning er præcis, hvad Hinode var designet til at forfølge, " sagde Sabrina Savage, den amerikanske projektforsker for Hinode. "Kompleks systemvidenskab kan ikke udføres i en boble med kun én mission."

Hinodes data afslørede kilden til SEP-begivenhederne - men det var ikke, hvad hverken Brooks eller Yardley forventede.

Som regel, solvinden kan lettere undslippe ved at finde åbne magnetfeltlinjer - feltlinjer forankret til Solen i den ene ende, men strømmer ud i rummet i den anden.

"Jeg troede virkelig, at vi ville finde det ved kanterne af det aktive område, hvor magnetfeltet allerede er åbent, og materiale kan undslippe direkte, " sagde Brooks. "Men fingeraftrykket matchede kun i områder, hvor magnetfeltet stadig er lukket."

SEP'erne var på en eller anden måde brudt fri fra stærke magnetiske sløjfer forbundet til Solen i begge ender. Disse sløjfer fanger materiale nær toppen af ​​kromosfæren, et lag under, hvor soludbrud og koronale masseudslip bryder ud.

"Folk har allerede tænkt på, hvordan den kunne komme ud fra lukket mark - især i forbindelse med solvinden, " sagde Brooks. "Men jeg tror, ​​at det faktum, at materialet blev fundet i kernen af ​​regionen, hvor magnetfelterne er meget stærke, gør det sværere for disse processer at fungere."

Det overraskende resultat rejser nye spørgsmål om, hvordan SEP'er undslipper solen, spørgsmål modne til fremtidigt arbejde. Stadig, at udpege en begivenheds kilde er et stort skridt fremad.

"Normalt, du er nødt til at udlede den slags - du ville sige, "se, vi så en SEP og et soludbrud, og SEP kom sandsynligvis fra soludbrud, " sagde Wilson, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Men dette er et direkte bevis, der binder disse to fænomener sammen."

Brooks og Yardley demonstrerer også en måde at bruge NASAs voksende Heliophysics System Observatory på, ved at kombinere observationer af flere rumfartøjer for at udføre videnskab, som tidligere ikke var mulig.

"Det er en måde at tænke på alle de rumfartøjer, der er i flyvning, som du kan bruge til at lave en enkelt undersøgelse, " sagde Wilson. "Det er som at have en masse vejrstationer - du begynder at få et meget bedre billede af, hvad vejret gør i større skala, og du kan aktivt begynde at forsøge at forudsige det."

"Disse forfattere har gjort et bemærkelsesværdigt stykke arbejde ved at kombinere de rigtige datasæt og anvende dem på de rigtige spørgsmål, "Sagde Savage. "Søgningen efter oprindelsen af ​​potentielt skadelige energipartikler er blevet kritisk indsnævret takket være denne indsats."