Hvor kommer høyenergipartikler som setter satellitter, astronauter og fly i fare fra?

I flere tiår har forskere forsøkt å løse et irriterende problem angående været i verdensrommet: På uforutsigbare tider bombarderer høyenergipartikler jorden og objekter utenfor jordens atmosfære med stråling som kan sette livet til astronauter i fare og ødelegge satellittenes elektroniske utstyr. Disse oppblussingene kan til og med utløse strålingsdusjer som er sterke nok til å nå passasjerer i fly som flyr over Nordpolen. Til tross for forskernes beste innsats, har et klart mønster av hvordan og når oppblussing vil skje, vært varig vanskelig å identifisere.

Denne uken, i en avis i The Astrophysical Journal Lettershar forfatterne Luca Comiso og Lorenzo Sironi fra Columbia’s Department of Astronomy and the Astrophysics Laboratory, brukt superdatamaskiner for å simulere når og hvordan høyenergipartikler er født i turbulente miljøer som på atmosfæren til solen. Denne nye forskningen baner vei for mer nøyaktige spådommer om når farlige utbrudd av disse partiklene vil oppstå.

“Denne spennende nye forskningen vil tillate oss å bedre forutsi opprinnelsen til solenergipartikler og forbedre prognosemodeller for romværhendelser, et hovedmål for NASA og andre romfartsorganisasjoner og myndigheter rundt om i verden,” sa Comisso. I løpet av de neste par årene, la han til, kan NASAs Parker Solar Probe, det nærmeste romfartøyet til solen, være i stand til å validere papirets funn ved direkte å observere den forutsagte fordelingen av høyenergipartikler som genereres i solens ytre atmosfære.

I papiret deres, “Ion and Electron Acceleration in Fully Kinetic Plasma Turbulence,” demonstrerer Comiso og Sironi at magnetiske felt i solens ytre atmosfære kan akselerere ioner og elektroner opp til hastigheter nær lysets hastighet. Solen og andre stjerners ytre atmosfære består av partikler i plasmatilstand, en svært turbulent tilstand forskjellig fra flytende, gass og fast tilstand. Forskere har lenge trodd at solens plasma genererer høyenergipartikler. Men partikler i plasma beveger seg så uberegnelig og uforutsigbart at de til nå ikke helt har klart å demonstrere hvordan og når dette skjer.

Ved å bruke superdatamaskiner ved Columbia, NASA og National Energy Research Scientific Computing Center, opprettet Comiso og Sironi datasimuleringer som viser de nøyaktige bevegelsene til elektroner og ioner i solens plasma. Disse simuleringene etterligner atmosfæriske forhold på solen, og gir de mest omfattende dataene samlet til dags dato om hvordan og når høyenergipartikler vil dannes.

Forskningen gir svar på spørsmål som forskere har undersøkt i minst 70 år: I 1949 begynte fysikeren Enrico Fermi å undersøke magnetiske felt i verdensrommet som en potensiell kilde til høyenergipartiklene (som han kalte kosmiske stråler) som ble observert komme inn i jordens atmosfære. Siden den gang har forskere mistenkt at solens plasma er en viktig kilde til disse partiklene, men det har vært vanskelig å definitivt bevise det.

Comissos og Sironis forskning, som ble utført med støtte fra NASA og National Science Foundation, har implikasjoner langt utover vårt eget solsystem. Det store flertallet av den observerbare materien i universet er i en plasmatilstand. Å forstå hvordan noen av partiklene som utgjør plasma kan akselereres til høye energinivåer er et viktig nytt forskningsområde siden energiske partikler rutinemessig observeres ikke bare rundt solen, men også i andre miljøer over hele universet, inkludert omgivelsene til sorte hull og nøytronstjerner.

Mens Comissos og Sironis nye artikkel fokuserer på solen, kan ytterligere simuleringer kjøres i andre sammenhenger for å forstå hvordan og når fjerne stjerner, sorte hull og andre enheter i universet vil generere sine egne energiutbrudd.

“Resultatene våre fokuserer på solen, men kan også sees på som et utgangspunkt for å bedre forstå hvordan høyenergipartikler produseres i fjernere stjerner og rundt sorte hull,” sa Comisso. “Vi har bare skrapet på overflaten av hva superdatamasimuleringer kan fortelle oss om hvordan disse partiklene blir født over hele universet.”

---

---