Oprindelsen af ​​solens magnetfelt kan ligge tæt på dens overflade

Solens overflade er en strålende visning af solpletter og flare drevet af solens magnetfelt, som internt genereres gennem en proces kaldet dynamo-handling. Astrofysikere har antaget, at solens felt er genereret dybt inde i stjernen. Men en MIT-undersøgelse viser, at solens aktivitet kan være formet af en meget mere overfladisk proces.

I et papir, der vises i Nature , finder forskere ved MIT, University of Edinburgh og andre steder, at solens magnetfelt kan opstå fra ustabilitet i solens yderste lag.

Holdet genererede en præcis model af solens overflade og fandt ud af, at når de simulerede visse forstyrrelser eller ændringer i strømmen af ​​plasma (ioniseret gas) inden for de øverste 5-10 % af solen, var disse overfladeændringer nok til at generere realistisk magnetisk feltmønstre med lignende egenskaber som det, astronomer har observeret på solen. I modsætning hertil producerede deres simuleringer i dybere lag mindre realistisk solaktivitet.

Resultaterne tyder på, at solpletter og udbrud kan være et produkt af et lavt magnetfelt, snarere end et felt, der stammer dybere nede i solen, som forskerne stort set havde antaget.

"De funktioner, vi ser, når vi ser på solen, som den korona, som mange mennesker så under den nylige solformørkelse, solpletter og soludbrud, er alle forbundet med solens magnetfelt," siger studieforfatter Keaton Burns, en forsker i MIT's Institut for Matematik.

"Vi viser, at isolerede forstyrrelser nær solens overflade, langt fra de dybere lag, kan vokse over tid og potentielt producere de magnetiske strukturer, vi ser."

Hvis solens magnetfelt faktisk opstår fra dens yderste lag, kan det give forskerne en bedre chance for at forudsige udbrud og geomagnetiske storme, der har potentiale til at beskadige satellitter og telekommunikationssystemer.

"Vi ved, at dynamoen fungerer som et kæmpe ur med mange komplekse interagerende dele," siger medforfatter Geoffrey Vasil, en forsker ved University of Edinburgh. "Men vi kender ikke mange af brikkerne, eller hvordan de passer sammen. Denne nye idé om, hvordan soldynamoen starter, er afgørende for at forstå og forudsige den."

Studiets medforfattere inkluderer også Daniel Lecoanet og Kyle Augustson fra Northwestern University, Jeffrey Oishi fra Bates College, Benjamin Brown og Keith Julien fra University of Colorado i Boulder og Nicholas Brummell fra University of California i Santa Cruz.

Flowzone

Solen er en hvidglødende plasmakugle, der koger på dens overflade. Dette kogende område kaldes "konvektionszonen", hvor lag og faner af plasma ruller og flyder. Konvektionszonen omfatter den øverste tredjedel af solens radius og strækker sig omkring 200.000 kilometer under overfladen.

"En af de grundlæggende ideer til, hvordan man starter en dynamo, er, at du har brug for et område, hvor der er meget plasma, der bevæger sig forbi andet plasma, og at forskydningsbevægelse konverterer kinetisk energi til magnetisk energi," forklarer Burns. "Folk havde troet, at solens magnetfelt er skabt af bevægelserne helt nederst i konvektionszonen."

For at præcisere, hvor solens magnetfelt stammer fra, har andre forskere brugt store tredimensionelle simuleringer til at forsøge at løse for strømmen af ​​plasma gennem de mange lag af solens indre. "Disse simuleringer kræver millioner af timer på nationale supercomputerfaciliteter, men det, de producerer, er stadig ikke nær så turbulent som den faktiske sol," siger Burns.

I stedet for at simulere det komplekse flow af plasma gennem hele solens krop, spekulerede Burns og hans kolleger på, om det kunne være nok at studere stabiliteten af ​​plasmaflow nær overfladen til at forklare oprindelsen af ​​dynamoprocessen.

For at udforske denne idé brugte holdet først data fra feltet "helioseismologi", hvor videnskabsmænd bruger observerede vibrationer på solens overflade til at bestemme den gennemsnitlige struktur og flow af plasma under overfladen.

"Hvis du tager en video af en tromme og ser, hvordan den vibrerer i slowmotion, kan du beregne trommeskinnets form og stivhed ud fra vibrationstilstandene," siger Burns. "På samme måde kan vi bruge vibrationer, som vi ser på soloverfladen til at udlede den gennemsnitlige struktur på indersiden."

Solløg

Til deres nye undersøgelse indsamlede forskerne modeller af solens struktur fra helioseismiske observationer. "Disse gennemsnitlige strømme ligner et løg, med forskellige lag af plasma, der roterer forbi hinanden," forklarer Burns. "Så spørger vi:Er der forstyrrelser eller små ændringer i plasmastrømmen, som vi kan lægge oven på denne gennemsnitlige struktur, som kan vokse til at forårsage solens magnetfelt?"

For at lede efter sådanne mønstre brugte teamet Dedalus-projektet - en numerisk ramme, som Burns udviklede, og som kan simulere mange typer væskestrømme med høj præcision. Koden er blevet anvendt på en lang række problemer, fra modellering af dynamikken inde i individuelle celler, til havet og atmosfæriske cirkulationer.

"Mine samarbejdspartnere har tænkt på solmagnetismeproblemet i årevis, og Dedalus' evner har nu nået det punkt, hvor vi kunne løse det," siger Burns.

Holdet udviklede algoritmer, som de inkorporerede i Dedalus for at finde selvforstærkende ændringer i solens gennemsnitlige overfladestrømme. Algoritmen opdagede nye mønstre, der kunne vokse og resultere i realistisk solaktivitet. Især fandt holdet mønstre, der matcher placeringen og tidsskalaen for solpletter, som er blevet observeret af astronomer siden Galileo i 1612.

Solpletter er forbigående træk på solens overflade, der menes at være formet af solens magnetfelt. Disse relativt køligere områder fremstår som mørke pletter i forhold til resten af ​​solens hvidglødende overflade. Astronomer har længe observeret, at solpletter forekommer i et cyklisk mønster, vokser og trækker sig tilbage hvert 11. år og generelt graviterede rundt om ækvator i stedet for nær polerne.

I holdets simuleringer fandt de ud af, at visse ændringer i plasmastrømmen, inden for blot de øverste 5-10% af solens overfladelag, var nok til at generere magnetiske strukturer i de samme regioner. I modsætning hertil producerer ændringer i dybere lag mindre realistiske solfelter, der er koncentreret nær polerne, snarere end nær ækvator.

Holdet var motiveret til at se nærmere på strømningsmønstre nær overfladen, da forholdene dér lignede de ustabile plasmastrømme i helt andre systemer:tilvækstskiverne omkring sorte huller. Accretion-skiver er massive skiver af gas og stjernestøv, der roterer ind mod et sort hul, drevet af "magnetorotationel ustabilitet", som genererer turbulens i strømmen og får den til at falde indad.

Burns og hans kolleger havde mistanke om, at et lignende fænomen er på spil i solen, og at magnetrotationsustabiliteten i solens yderste lag kunne være det første skridt i at generere solens magnetfelt.

"Jeg tror, ​​at dette resultat kan være kontroversielt," siger han. "Det meste af samfundet har været fokuseret på at finde dynamo-aktion dybt i solen. Nu viser vi, at der er en anden mekanisme, der ser ud til at passe bedre til observationer."

Burns siger, at holdet fortsætter med at undersøge, om de nye overfladefeltmønstre kan generere individuelle solpletter og den fulde 11-årige solcyklus.