De toegepaste fysici van Caltech hebben de magnetische velden van de zon experimenteel gesimuleerd om een ​​realistische coronale lus in een laboratorium te creëren.

Coronale lussen zijn bogen van plasma die uitbarsten vanaf het oppervlak van de zon langs magnetische veldlijnen. Omdat plasma een geïoniseerd gas is, dat wil zeggen, een gas van vrij stromende elektronen en ionen - het is een uitstekende geleider van elektriciteit. Als zodanig, zonne-coronalussen worden geleid en gevormd door het magnetische veld van de zon.

Het magnetisch veld van de aarde fungeert als een schild dat mensen beschermt tegen de sterke röntgenstralen en energierijke deeltjes die worden uitgezonden door de uitbarstingen, maar communicatiesatellieten draaien buiten dit schildveld en blijven daarom kwetsbaar. In maart 1989, een bijzonder grote uitbarsting ontketende een explosie van geladen deeltjes die tijdelijk een van de geostationaire operationele omgevingssatellieten van de National Oceanic and Atmospheric Administration uitschakelde die het weer op aarde volgen; veroorzaakte een sensorprobleem op de Spaceshuttle Discovery; en uitgeschakelde stroomonderbrekers op het elektriciteitsnet van Hydro-Québec, die een grote stroomstoring veroorzaakte in de provincie Quebec, Canada, voor negen uur.

"Dit potentieel om ravage aan te richten - dat alleen maar toeneemt naarmate de mensheid meer afhankelijk is van satellieten voor communicatie, weersvoorspelling, en het bijhouden van hulpbronnen - maakt het van cruciaal belang om te begrijpen hoe deze zonnegebeurtenissen werken, " zegt Paul Bellan, hoogleraar toegepaste natuurkunde bij de afdeling Engineering and Applied Science.

Hoewel er eerder in laboratoria gesimuleerde coronale lussen zijn gemaakt, deze laatste poging omvatte een magnetisch omsnoeringsveld dat de lus aan het oppervlak van de zon bindt. Denk aan een omsnoeringsveld zoals de metalen hoepels aan de buitenkant van een houten ton. Terwijl de lamellen van het vat voortdurend onder druk naar buiten duwen, de metalen hoepels zitten loodrecht op de latten en houden de loop bij elkaar.

De sterkte van dit omsnoeringsveld neemt af met de afstand tot de zon. Dit betekent dat wanneer dicht bij het zonneoppervlak, de lussen worden stevig vastgeklemd door het omsnoeringsveld, maar kunnen dan losraken en wegschieten als ze stijgen tot een bepaalde hoogte waar het omsnoeringsveld zwakker is. Deze uitbarstingen staan ​​bekend als zonnevlammen en coronale massa-ejecties (CME's).

CME's zijn touwachtige ontladingen van heet plasma die met snelheden van meer dan een miljoen mijl per uur van het oppervlak van de zon weg accelereren. Deze uitbarstingen kunnen energie vrijgeven gelijk aan 1 miljard megaton TNT, waardoor ze potentieel de krachtigste explosies in het zonnestelsel zijn. (CME's moeten niet worden verward met zonnevlammen, die vaak plaatsvinden als onderdeel van dezelfde gebeurtenis. Zonnevlammen zijn uitbarstingen van licht en energie, terwijl CME's explosies van deeltjes zijn die zijn ingebed in een magnetisch veld.)

De gesimuleerde lussen en omsnoeringsvelden geven nieuw inzicht in hoe energie wordt opgeslagen in de zonnecorona en vervolgens plotseling wordt vrijgegeven. Bellan werkte samen met Caltech-afgestudeerde student Bao Ha (MS '10, PhD '16) om het omsnoeringsveld en de coronale lus te creëren. De resultaten van hun experimenten werden gepubliceerd in het tijdschrift Geofysische onderzoeksbrieven op 17 sept. 2016.

Bellan en zijn collega's werken al twee decennia aan simulaties op laboratoriumschaal van zonnecoronaverschijnselen. In het labortorium, het team genereert touwen plasma in een 1,5 meter lange vacuümkamer.

"Het bestuderen van coronale massa-ejecties is een uitdaging, omdat mensen niet weten hoe en wanneer de zon zal uitbarsten. Maar laboratoriumexperimenten maken de controle van uitbarstingsparameters mogelijk en maken de systematische verkenningen van uitbarstingsdynamiek mogelijk, " zegt Ha, hoofdauteur van de GRL-paper. "Hoewel experimenten met dezelfde uitbarstingsparameters gemakkelijk reproduceerbaar zijn, de lusdynamiek varieert afhankelijk van de configuratie van het magnetische veld voor de omsnoering."

Het simuleren van een omsnoeringsveld met een sterkte die vervaagt over de relatief korte lengte van de vacuümkamer bleek moeilijk, zegt Bellan. Om het te laten werken, Ha en Bellan moesten elektromagnetische spoelen ontwerpen die het omsnoeringsveld in de kamer zelf produceren.

Na meer dan drie jaar ontwerpen, fabricage, en testen, Bellan en Ha waren in staat om een ​​omsnoeringsveld te creëren dat in sterkte piekt op ongeveer 10 centimeter afstand van waar de plasmalus zich vormt, sterft dan een korte afstand verder in de vacuümkamer af.

Door de opstelling kunnen Bellan en Ha de plasmalus langzaam in omvang zien groeien, bereik dan een kritiek punt en vuur af naar het uiteinde van de kamer.

Volgende, Bellan is van plan om het magnetische veld binnen de uitbarstende lus te meten en ook de golven te bestuderen die worden uitgezonden wanneer plasma's uit elkaar vallen.