Forskere afslører partikelacceleratorområdet inde i et soludbrud

Soludbrud er blandt de mest voldsomme eksplosioner i vores solsystem, men på trods af deres enorme energi – svarende til hundrede milliarder atombomber, der detonerer på én gang – har fysikere stadig ikke været i stand til at svare præcist på, hvordan disse pludselige udbrud på solen er i stand til at sende partikler til Jorden, næsten 93 millioner miles væk, på under en time.

Nu, i en undersøgelse offentliggjort 8. juni i Nature , har forskere ved New Jersey Institute of Technology (NJIT) udpeget det præcise sted, hvor solar flare ladede partikler accelereres til næsten lys hastighed.

De nye resultater, gjort mulige gennem observationer af en X-klasse soludbrud i 2017 af NJIT's Expanded Owens Valley Solar Array (EOVSA) radioteleskop, har afsløret en meget effektiv partikelaccelerator placeret på spidsen af ​​det lyseste punkt af udbruddet i udbruddet. solens ydre atmosfære, kaldet blussets "spidsområde", hvor eksplosionens omgivende plasma omdannes til højenergielektroner.

Forskere siger, at opdagelsen af ​​regionen, målt til næsten det dobbelte af Jordens volumen, kan åbne nye døre til at undersøge grundlæggende processer af partikelacceleration, der er allestedsnærværende i universet.

"Resultaterne i denne undersøgelse hjælper med at forklare det langvarige mysterium om, hvordan soludbrud kan producere så meget energi på få sekunder," sagde Gregory Fleishman, tilsvarende forfatter af papiret og fremtrædende forskningsprofessor i fysik ved NJIT's Center for Solar-Terrestrial Research . "Udbrændingen frigiver sin kraft i et meget større område af solen end forventet af den klassiske model af soludbrud. Selvom andre har postuleret, at dette skal ske, er det første gang, den specifikke størrelse, form og placering af denne nøgleregion har blevet identificeret, og effektiviteten af ​​energiomdannelsen til partikelacceleration inde i blusset er blevet målt."

Opdagelsen følger separate undersøgelser fra 2020 offentliggjort i Science og Naturastronomi , hvor EOVSA's detaljerede snapshots af blussen og ændringer i solens magnetfelt - taget ved hundredvis af radiofrekvenser på én gang - i første omgang gav NJIT-teamet et forspring på stedet.

"Vores nylige undersøgelser antydede, at flare cusp kunne være stedet, hvor sådanne højenergielektroner produceres, men vi var ikke sikre," forklarede Bin Chen, lektor i NJIT og en medforfatter af papiret. "Vi havde oprindeligt afsløret en magnetisk flaskelignende struktur på stedet, der indeholdt et overvældende stort antal elektroner sammenlignet med andre steder i blusset, men nu med de nye målinger af denne undersøgelse, kan vi mere trygt sige, at dette er flarens partikel accelerator."

Ved at bruge EOVSA's unikke mikrobølgebilleddannelsesevner var holdet i stand til at måle energispektret af elektroner på hundredvis af steder af et soludbrud af X-klasse udløst af en rekonfiguration af magnetiske feltlinjer langs solens overflade den 10. september 2017.

"EOVSA's spektrale billeddannelse gav os et omfattende kort over flarens termiske plasma, efterhånden som det udviklede sig sekund for sekund. Men til vores overraskelse var det, vi fandt, et mystisk hul i det termiske plasmakort, der begyndte at udvikle sig ved flarens spids," sagde Gelu Nita, NJIT forskningsprofessor og medforfatter af papiret. "Mere end det, da termiske partikler i regionen forsvandt, blev hullet tæt fyldt med ikke-termiske, højenergipartikler."

Holdets analyse afslørede en utrolig effektiv energiomdannelsesproces i soludbruddets partikelaccelerator, hvor intens energi fra solens magnetfelter hurtigt frigives og overføres til kinetisk energi inde i regionen.

"Vi spekulerede på, hvor effektiv denne energiomdannelsesproces ville være ... hvor mange partikler i dette område ville blive accelereret ud over eksplosionens termiske energi?" tilføjede Sijie Yu, studiemedforfatter og NJIT-assistentforskningsprofessor. "Ved at bruge ekstreme ultraviolette data fra solen bekræftede vi, at der stort set ingen partikler forblev inde i området ved termiske energier under et par millioner Kelvin, i overensstemmelse med EOVSA-målingen, at partiklerne alle var blevet accelereret til ikke-termiske energier større end 20 keV, eller næsten 100 millioner Kelvin."

Holdet siger nu, at disse seneste resultater kan hjælpe forskere med at studere fundamentale spørgsmål i partikelfysik, som ikke er mulige på Jorden, samt give ny indsigt i, hvordan sådanne højenergipartikler fra solen kan påvirke Jorden under fremtidige rumvejrhændelser.

"Et vigtigt aspekt af denne undersøgelse er, at den retter teoretikeres opmærksomhed mod det præcise sted, hvor det meste af energifrigivelsen og partikelaccelerationen finder sted, og giver kvantitative målinger til at vejlede numeriske modeller," siger Dale Gary, NJIT anerkendt professor og direktør for EOVSA. "However, to extend our measurements to much broader flare regions and weaker but more frequent flare events, we are developing a next-generation, solar-dedicated radio array called the Frequency Agile Solar Radiotelescope, which will be at least 10 times larger and orders of magnitude more powerful."

"We still want to investigate the physical mechanism driving particle acceleration in solar flares. But future studies must account for what we now know about these enormous explosions—both the main energy release at the cusp region and the 100% efficiency at which charged particle acceleration occurs," said Fleishman. "These findings call for a major revision to the models we use to study solar flares and their impact on Earth." + Udforsk yderligere

Scientists measure the evolving energy of a solar flare's explosive first minutes