Forskere finder spor til, hvordan farlig rumstråling begynder

Forskere ved North Carolina State University og Universities Space Research Association har taget et stort skridt i retning af at forstå oprindelsen af ​​de ekstremt skadelige strålingsudbrud, som astronauter vil møde under rumrejser uden for Jordens magnetiske skjold.

Forskerne simulerede soludbrud og den efterfølgende acceleration af ladede partikler i solkoronaen med state-of-the-art supercomputer-simuleringer. De fandt ud af, at accelerationsmekanismen kræver specifikke forhold i solvinden. Solvind er en kontinuerlig udstrømning af ladede partikler fra Solen.

Når solens vindhastighed er mellem omkring 500 og 650 kilometer (310 og 404 miles) i sekundet, og der er store områder på Solen med stærke magnetiske felter, der stikker gennem overfladen, er forholdene de rette for, at accelerationsmekanismen kan begynde at fungere.

Forskernes observationer kan føre til udviklingen af ​​nye rumvejrmodeller, der forudsiger skadelig rumstråling med tilstrækkelig ledetid til at beskytte astronauter, der arbejder uden for Jordens magnetiske skjold. Rumstråling er en stor sundhedsfare for astronauter og udgør en betydelig udfordring for menneskelige missioner til Månen og Mars.

Forskerholdets resultater blev publiceret i tidsskriftet _Physical Review Letters_.

"Når astronauter rejser uden for Jordens beskyttende magnetosfære, bliver de udsat for høje niveauer af rumstråling," sagde Dr. Vassilis Angelopoulos, Alumni Distinguished Bachelor ved Institut for Fysik ved NC State og tilsvarende forfatter til undersøgelsen. "Meget af denne stråling har form af meget energiske protoner. Men på trods af årtiers forskning forstår vi stadig ikke fuldt ud de fysiske mekanismer, der accelererer disse protoner til så høje energier."

Astrofysikere mener, at accelerationen sandsynligvis sker i solkoronaen - Solens ydre atmosfære - og at den skal ske i etaper, fordi ingen enkelt proces kan accelerere protonerne til energier observeret nær Jorden. Det fremherskende scenarie er, at protonerne får en betydelig mængde energi meget tæt på Solen gennem genforbindelse af magnetfeltlinjer - en proces kaldet magnetisk genforbindelse - og derefter accelereres yderligere af en endnu ukendt mekanisme et sted i den indre heliosfære - området mellem Solen og Jorden.

Observationer viser, at disse energiske begivenheder ser ud til at være forbundet med soludbrud, der involverer såkaldte koronale masseudstødninger (CME'er). Men CME'er er også allestedsnærværende fænomener, der sker hele tiden, men meget få af dem - kun omkring 1% - ender med at producere farlig stråling.

"Dette viser, at CME'er alene ikke kan være ansvarlige for accelerationen," sagde Angelopoulos. "Der skal være noget mere; nogle specifikke forhold, der fører til initieringen af ​​partikelaccelerationsprocessen."

Så hvad er disse specifikke forhold?

Forskerholdet udførte en omfattende serie af fysikbaserede simuleringer med avancerede supercomputermodeller af soludbrud, herunder CME'er. De fandt ud af, at accelerationen af ​​højenergiprotonerne begynder, når solvinden har et bestemt hastighedsområde, og der er store områder på Solen med stærke magnetfelter, der trænger gennem soloverfladen.

"Solkoronaen er fuld af magnetfelter, og vi har længe haft mistanke om, at magnetiske felter spiller en afgørende rolle i accelerationsprocessen," sagde Dr. Xiaowei Wang, tidligere postdoc-forsker ved Institut for Fysik ved NC State og hovedforfatter af papiret. "Men magnetiske felter skal struktureres på den helt rigtige måde - som en slinky fuldt strakt ud over Solen. Vores numeriske simuleringer viser, at når disse forhold opstår, er scenen sat for generering af højenergiprotoner."

Når sådanne gunstige forhold er til stede, kan magnetisk genforbindelse blive meget hurtig. Dette kan til gengæld hurtigt omstrukturere magnetfelterne på en sådan måde, at elektriske felter accelererer protonerne til høje energier.

Rumvejrmodeller kan potentielt forudsige forekomst og ankomsttider for højenergiprotonhændelser på Jorden, hvis de kan give information om solvindforhold og storskala magnetfeltstruktur på Solen. At udvikle rumvejrmodeller med denne evne er udfordrende, men gennemførligt, og forskningen i Angelopoulos' gruppe fortsætter i den retning.