Forskere avslører partikkelakseleratorområdet inne i en solflamme

Solflammer er blant de mest voldsomme eksplosjonene i vårt solsystem, men til tross for deres enorme energi – tilsvarende hundre milliarder atombomber som detonerer samtidig – har fysikere fortsatt ikke klart å svare nøyaktig på hvordan disse plutselige utbruddene på solen er i stand til å lanserer partikler til jorden, nesten 93 millioner miles unna, på under en time.

Nå, i en studie publisert 8. juni i Naturhar forskere ved New Jersey Institute of Technology (NJIT) pekt på det nøyaktige stedet der solflossladede partikler akselereres til nær lyshastighet.

De nye funnene, gjort mulig gjennom observasjoner av en X-klasse solflamme i 2017 av NJITs Expanded Owens Valley Solar Array (EOVSA) radioteleskop, har avslørt en svært effektiv partikkelakselerator plassert på spissen av det lyseste punktet av utbruddet i utbruddet. solens ytre atmosfære, kalt fakkelens “cusp-region”, der eksplosjonens omgivelsesplasma omdannes til høyenergielektroner.

Forskere sier at oppdagelsen av regionen, målt til nesten det dobbelte av jordens volum, kan åpne nye dører for å undersøke grunnleggende prosesser for partikkelakselerasjon som er allestedsnærværende i universet.

“Funnene i denne studien hjelper til med å forklare det langvarige mysteriet om hvordan solflammer kan produsere så mye energi på bare sekunder,” sa Gregory Fleishman, korresponderende forfatter av artikkelen og fremtredende forskningsprofessor i fysikk ved NJITs senter for solar-terrestrisk forskning. av den klassiske modellen av solflammer. Selv om andre har postulert at dette må skje, er dette første gang den spesifikke størrelsen, formen og plasseringen til denne nøkkelregionen har blitt identifisert, og effektiviteten til energikonverteringen til partikkelakselerasjon inne i fakkelen er målt.”

Oppdagelsen følger separate studier fra 2020 publisert i Vitenskap og Natur astronomihvor EOVSAs detaljerte øyeblikksbilder av blusset og endringer i solens magnetfelt– tatt på hundrevis av radiofrekvenser med en gang – ga først NJIT-teamet en ledelse på stedet.

“Våre nylige studier antydet at flare cusp kan være stedet der slike høyenergielektroner produseres, men vi var ikke sikre,” forklarte Bin Chen, førsteamanuensis i NJIT og medforfatter av papiret. “Vi hadde opprinnelig avdekket en magnetisk flaskelignende struktur på stedet som inneholdt et overveldende stort antall elektroner sammenlignet med noe annet sted i fakkelen, men nå med de nye målingene av denne studien, kan vi mer trygt si at dette er fakkelens partikkel akselerator.”

Ved å bruke de unike mikrobølgeavbildningsmulighetene til EOVSA, var teamet i stand til å måle energispekteret til elektroner på hundrevis av steder av en X-klasse solflamme utløst av en rekonfigurering av magnetfeltlinjer langs soloverflaten 10. september 2017.

“EOVSAs spektrale avbildning ga oss et omfattende kart over fakkelens termiske plasma etter hvert som det utviklet seg sekund for sekund. Men til vår overraskelse var det vi fant et mystisk hull i det termiske plasmakartet som begynte å utvikle seg ved fakkelens cusp,” sa Gelu Nita, forskningsprofessor i NJIT og medforfatter av artikkelen. “Mer enn det, ettersom termiske partikler i regionen forsvant, ble hullet tett fylt med ikke-termiske, høyenergipartikler.”

Teamets analyse brakte frem en utrolig effektiv energiomdannelsesprosess i solflammens partikkelakselerator, hvor intens energi fra solens magnetfelt raskt frigjøres og overføres til kinetisk energi inne i regionen.

“Vi lurte på hvor effektiv denne energikonverteringsprosessen ville være … hvor mange partikler i dette området ville bli akselerert utover eksplosjonens termiske energi?” la til Sijie Yu, studiemedforfatter og NJIT-assistentforskningsprofessor. “Ved å bruke ekstreme ultrafiolette data fra solen, bekreftet vi at praktisk talt ingen partikler var igjen inne i regionen ved termiske energier under noen få millioner Kelvin, i samsvar med EOVSA-målingen om at partiklene alle hadde blitt akselerert til ikke-termiske energier større enn 20 keV, eller nesten 100 millioner Kelvin.”

Teamet sier nå at disse siste funnene kan hjelpe forskere med å studere grunnleggende spørsmål innen partikkelfysikk som ikke er mulig på jorden, samt gi ny innsikt i hvordan slike høyenergipartikler fra solen kan påvirke jorden under fremtidige romværhendelser.

“Et viktig aspekt ved denne studien er at den retter oppmerksomheten til teoretikere til det nøyaktige stedet hvor mesteparten av energifrigjøringen og partikkelakselerasjonen skjer, og gir kvantitative målinger for å veilede numeriske modeller,” sier Dale Gary, NJIT fremstående professor og direktør for EOVSA. “Men for å utvide målingene våre til mye bredere fakkelområder og svakere, men hyppigere bluss begivenheter, utvikler vi en neste generasjons, solcelle-dedikert radiogruppe kalt Frequency Agile Solar Radiotelescope, som vil være minst 10 ganger større og størrelsesordener kraftigere.”

“Vi ønsker fortsatt å undersøke den fysiske mekanismen som driver partikkelakselerasjon i solflammer. Men fremtidige studier må ta hensyn til det vi nå vet om disse enorme eksplosjonene – både hovedenergiutgivelsen ved cusp-regionen og 100 % effektiviteten ved ladede partikkelakselerasjon. skjer,” sa Fleishman. “Disse funnene krever en stor revisjon av modellene vi bruker for å studere solflammer og deres innvirkning på jorden.”

---

---