Solen er ikke en ildkule. Det er en gigantisk, elektrisk ladet atomreaktor omgitt av en lunefull glorie av plasma som av og til raper en stråle av stråling ut i verdensrommet. I 1859 traff en stor strålingsstråle – kalt en solflamme – Jorden frontalt. Det var ikke mye elektronikk på den tiden, men det store solflammet skapte kaos på verdens begynnende telegrafnettverk, og sendte gnister fra telegrafmaskiner, sjokkerte operatører og til og med gnister i brann.
Nå, mer enn 160 år senere, er vår moderne verden fullstendig avhengig av mange komplekse nettverk av elektronikk – inkludert sårbare satellitter – som kan bli slått offline av et nytt direktetreff.
Overraskende nok forsto ikke forskere helt fysikken til solutbrudd før relativt nylig. Takket være ny forskning publisert onsdag i fagfellevurdert tidsskrift Naturfår det voldelige fenomenet et enda klarere syn. Interessant ingeniørfag satte seg ned med fysiker Gregory D. Fleishman, en medforfatter av det nye papiret, for å snakke om solen, solutbrudd og hva teamet hans oppdaget.
Dette intervjuet er redigert for lengde og klarhet.
Interessant ingeniørfag: Når vi snakker om solen, fokuserer vi ofte på prosessen med kjernefysisk fisjon som genererer energien, men solutbrudd skjer i de ytre lagene. Hvordan lar disse ytre lagene av solen skje solutbrudd?
Gregory D. Fleishman: Vi ser fotosfæren – overflaten til solen – som er lys og varm og [whose emissions] støtte livet og alt rundt oss. Det som er spesielt med solen og andre stjerner er at de er magnetiske objekter. Magnetfeltet utgjør en stor forskjell mellom vår vanlige opplevelse på jorden og det som skjer der i solen, og spesielt magnetfeltet over fotosfæren. Det er solatmosfæren, kalt koronaen, som du kan se under solformørkelser.
IE: Hva er koronaen og hvilke fysiske prosesser skjer der?
Fleishman: Du kan se koronaen i hvitt lys under en formørkelse. Det er veldig komplisert, dynamisk og uvanlig fra vårt daglige perspektiv. Magnetfeltet er sterkt knyttet til plasma – ionisert gass – og på grunn av ulike former for bevegelse blir dette plasmaet og magnetfeltet mer og mer sammenfiltret. Det samles mye gratis energi i dette magnetfeltet.
Få flere oppdateringer om denne historien og mer med Blueprintvårt daglige nyhetsbrev: Registrer deg gratis her.
Etter å ha nådd en viss terskel eller ustabilitet når den ikke kan leve lenger i en jevn tilstand, skjer det noen eksplosjoner. Disse eksplosjonene er i utgangspunktet konverteringer av denne frie magnetiske energien – som er den dominerende energiformen i solkoronaen – til andre energiformer.
IE: Hvilke andre energiformer snakker du om?
Fleishman: Det er kinetisk energi – regelmessig bevegelse – som koronale masseutkast, jetfly og andre fenomener. En annen form for energi er den vanlige varmeenergien. Økte temperaturer øker mer eller mindre fremdriftsenergiene til alle partikler.
Det er en annen form for energi hvor partikler ikke varmes opp, men akselereres til mye mye høyere energier. Dette skjer vanligvis ikke rundt oss, annet enn i spesielle akseleratorer.
IE: Før vi går nærmere inn på dette, kan du forklare hva fri magnetisk energi er?
Fleishman: Tenk på en vanlig magnet. Den produserer et eller annet magnetfelt rundt seg, utenfor seg selv. Dette magnetfeltet er knyttet til selve magneten. Så du kan ikke ta denne energien og konvertere den til noe annet.
Magnetfeltet i plasmaet rundt solen er ikke bare vanlige feltlinjer slik vi tenker på fra ungdomsskolen eller videregående. Dette er faktisk fluksrør som er fylt med plasma. De er også assosiert med elektriske strømmer, og disse elektriske strømmene er assosiert med energi. Hvis du stopper disse strømmene, vil denne energien gå ned.
Så, fri energi er i utgangspunktet energien som kan konverteres fra magnetisk energi til andre former for energi. Du kan ikke frigjøre all magnetisk energi fordi steady-state-komponenten av magnetfeltet forblir der. Det vil ikke bli utgitt, det vil bli konvertert. Men energien som er på toppen av denne steady-staten kan frigjøres hvis noen betingelser er oppfylt.
IE: Hvordan blir den frie magnetiske energien omgjort til ikke-termisk partikkelakselerasjon?
Fleishman: Det er det grunnleggende spørsmålet: hvordan skjer dette fenomenet i solutbruddet? Standard solmodellen – formulert for omtrent 50 år siden, med noen nyere utviklinger – postulerte at nøkkelregionen der dette kunne skje var det såkalte x-punktet, der magnetiske felt skjærer hverandre.
Det er mye lettere å frigjøre denne energien her fordi nedbrytningshastigheten til magnetfeltet kan økes hvor [the fields] krysse. Det grunnleggende fenomenet som ble foreslått kalles magnetisk gjenoppkobling. I utgangspunktet er ideen bak det at hvis du har feltlinjer som er motsatt rettet og du bringer dem i nær kontakt, kan de utslette og frigjøre energi.
IE: Men observasjonene dine kolliderer med dette synet, ikke sant? Hva er galt med standardmodellen du nettopp beskrev?
Fleishman: Problemet med denne standardmodellen er at volumet rundt dette x-punktet – noen ganger kan du tenke på det som et ark eller lag der lignende prosesser skjer – er mye mindre enn nødvendig for å forklare antall partikler som er involvert. Antall elektroner, for eksempel, er enormt: 1035 partikler.
For å få så mange partikler trenger du et stort volum. Du kan ikke frigjøre den energien og akselerere så mange partikler hvis du bare ikke har så mange partikler i volumet ditt. En av de største utfordringene var hvordan man kunne forene denne topologiske standardmodellen med behovet for å forklare virkelig høy akselerasjonseffektivitet.
IE: Hvordan gikk du frem for å løse dette problemet?
Fleishman: For å svare på dette spørsmålet trengte vi observasjonsverktøy for å måle hvor mye magnetisk energi som er tilgjengelig, hvor mye magnetisk energi som frigjøres per sekund, hvor mange elektroner som akselereres, og hvor mange elektroner som bare varmes opp.
En revolusjonerende observasjonsteknologi ble nylig utviklet for å svare på disse grunnleggende spørsmålene: Extended Owens Valley Solar Array. Det er et mikrobølgeinstrument som består av mange antenner som gjør at vi samtidig kan gjøre målinger i mange frekvenser i mikrobølgeområdet med høy romlig oppløsning. Som et resultat kan vi løse små steder i solenergien korona mikrobølgespektre fra hvert slikt sted. Fra hver piksel, som vi kaller dem.
IE: Hva ser du på med dette høyoppløselige instrumentet?
Fleishman: Mikrobølgeutslippene vi måler er eksplisitt følsomme for magnetfeltet, for termisk plasma og for ikke-termiske komponenter – akkurat der hvor utslippet dannes. Denne emisjonen dannes nøyaktig der partiklene akselereres og hvor utslippet skjer på grunn av interaksjon mellom plasma og magnetfelt.
Fra en analyse av spesielt oppløste mikrobølgespektre kan vi utlede fysiske parametere i hvert punkt. Vi utledet utviklende kart over magnetiske felt, utviklende kart over termisk plasma og utviklende kart over ikke-termiske elektroner – elektroner akselererte fra termisk til høy energi.
IE: Hva forteller disse kartene deg om den indre funksjonen til solflammer?
Fleishman: Det vi oppdaget med disse kartene er for det første at magnetfeltet avtar veldig sterkt i et bestemt område mellom solfotosfæren og x-punktet. Det er et spesielt område mellom dem hvor magnetfeltet raskt avtar og hvor denne magnetiske energien frigjøres. Dette var temaet for vår tidligere artikkel publisert i Vitenskap magasin i 2020.
Fra det samme datasettet, nå, analyserte vi hva som skjer med termiske og ikke-termiske partikler. Det vi fant var at i det området der magnetfeltet forfaller, er det ingen termisk plasma i det hele tatt. Det er et gap eller hull i termisk plasmadistribusjon. Denne regionen – dette hullet – er fylt av høyenergiske ikke-termiske elektroner, som antagelig akselereres fra det termiske bassenget på grunn av frigjøring av magnetisk energi. Det skjer på samme sted, med samme areal og volum.
IE: Nå som du har hatt tid til å analysere dataene fra instrumentet grundig, hva kan du fortelle oss om solutbrudd?
Fleishman: Vi fant disse nøkkelbitene i puslespillet: Vi bestemte hvor denne energifrigjøringskonverteringen skjer. Vi bestemte forfallet av magnetiske felt, som betyr frigjøring av magnetisk energi. Vi oppdaget et stort antall ikke-termiske akselererte elektroner i samme region, samme område. Og vi oppdaget mangel på termisk plasma, noe som betyr at disse ikke-termiske partiklene blir tatt fra det termiske bassenget og akselerert til høy energi. Så vi har et fullstendig bilde av hva som foregår i hjertet av en solfloss.