Hvor kommer højenergipartikler, der truer satellitter, astronauter og flyvemaskiner fra?

I årtier har forskere forsøgt at løse et irriterende problem med hensyn til vejret i det ydre rum:På uforudsigelige tidspunkter bombarderer højenergipartikler Jorden og objekter uden for Jordens atmosfære med stråling, der kan bringe astronauters liv i fare og ødelægge satellitternes elektroniske udstyr. Disse opblussen kan endda udløse strålingsbyger, der er stærke nok til at nå passagerer i fly, der flyver over Nordpolen. På trods af videnskabsmænds bedste indsats er et klart mønster for, hvordan og hvornår opblussen vil forekomme, forblevet svært at identificere.

I denne uge i en artikel i The Astrophysical Journal Letters , forfatterne Luca Comiso og Lorenzo Sironi fra Columbia's Department of Astronomy and the Astrophysics Laboratory, har brugt supercomputere til at simulere, hvornår og hvordan højenergipartikler fødes i turbulente miljøer som det på solens atmosfære. Denne nye forskning baner vejen for mere præcise forudsigelser af, hvornår farlige udbrud af disse partikler vil forekomme.

"Denne spændende nye forskning vil give os mulighed for bedre at forudsige oprindelsen af ​​solenergipartikler og forbedre prognosemodeller for rumvejrhændelser, et nøglemål for NASA og andre rumbureauer og regeringer rundt om i verden," sagde Comisso. Inden for de næste par år tilføjede han, at NASAs Parker Solar Probe, det tætteste rumfartøj til solen, muligvis vil være i stand til at validere papirets resultater ved direkte at observere den forudsagte fordeling af højenergipartikler, der genereres i solens ydre atmosfære.

I deres papir, "Ion and Electron Acceleration in Fully Kinetic Plasma Turbulence," demonstrerer Comiso og Sironi, at magnetiske felter i solens ydre atmosfære kan accelerere ioner og elektroner op til hastigheder tæt på lysets hastighed. Solen og andre stjerners ydre atmosfære består af partikler i plasmatilstand, en meget turbulent tilstand adskilt fra væske, gas og fast tilstand. Forskere har længe troet, at solens plasma genererer højenergipartikler. Men partikler i plasma bevæger sig så uberegnelig og uforudsigeligt, at de indtil nu ikke har været i stand til fuldt ud at demonstrere, hvordan og hvornår dette sker.

Ved at bruge supercomputere hos Columbia, NASA og National Energy Research Scientific Computing Center, skabte Comiso og Sironi computersimuleringer, der viser de nøjagtige bevægelser af elektroner og ioner i solens plasma. Disse simuleringer efterligner de atmosfæriske forhold på solen og giver de mest omfattende data indsamlet til dato om, hvordan og hvornår højenergipartikler vil dannes.

Forskningen giver svar på spørgsmål, som videnskabsmænd har undersøgt i mindst 70 år:I 1949 begyndte fysikeren Enrico Fermi at undersøge magnetiske felter i det ydre rum som en potentiel kilde til de højenergipartikler (som han kaldte kosmiske stråler), der blev observeret komme ind i jordens atmosfære. Siden da har forskere haft mistanke om, at solens plasma er en vigtig kilde til disse partikler, men det har været svært at bevise det.

Comissos og Sironis forskning, som blev udført med støtte fra NASA og National Science Foundation, har implikationer langt ud over vores eget solsystem. Langt størstedelen af ​​det observerbare stof i universet er i plasmatilstand. At forstå, hvordan nogle af de partikler, der udgør plasma, kan accelereres til høje energiniveauer, er et vigtigt nyt forskningsområde, da energirige partikler rutinemæssigt observeres ikke kun omkring solen, men også i andre miljøer på tværs af universet, inklusive omgivelserne af sorte huller og neutronstjerner.

Mens Comisso og Sironis nye papir fokuserer på solen, kan yderligere simuleringer køres i andre sammenhænge for at forstå, hvordan og hvornår fjerne stjerner, sorte huller og andre entiteter i universet vil generere deres egne energiudbrud.

"Vores resultater fokuserer på solen, men kan også ses som et udgangspunkt for bedre at forstå, hvordan højenergipartikler produceres i fjernere stjerner og omkring sorte huller," sagde Comiso. "Vi har kun ridset overfladen af, hvad supercomputersimuleringer kan fortælle os om, hvordan disse partikler fødes på tværs af universet." + Udforsk yderligere

En ny teori for, hvordan sorte huller og neutronstjerner skinner klart