Op elk moment, maar liefst 10 miljoen wilde stralen van zonnemateriaal barsten van het oppervlak van de zon. Ze barsten uit met een snelheid van 60 mijl per seconde, en kan lengtes van 6 bereiken, 000 mijl voordat hij instortte. Dit zijn kruiden, en ondanks hun grasachtige overvloed, wetenschappers begrepen niet hoe ze zich vormen. Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, een computersimulatie - zo gedetailleerd dat het een heel jaar duurde om te draaien - laat zien hoe spicules ontstaan, helpt wetenschappers te begrijpen hoe spicules zich kunnen losmaken van het oppervlak van de zon en zo snel naar boven kunnen stijgen.

Dit werk was gebaseerd op observaties met hoge cadans van NASA's Interface Region Imaging Spectrograph, of IRIS, en de Zweedse 1-meter zonnetelescoop in La Palma, op de Canarische Eilanden. Samen, het ruimtevaartuig en de telescoop kijken in de lagere lagen van de atmosfeer van de zon, bekend als de interface-regio, waar spiculen ontstaan. De resultaten van deze door NASA gefinancierde studie zijn gepubliceerd in Wetenschap op 22 juni, 2017 – een speciale tijd van het jaar voor de IRIS-missie, die op 26 juni zijn vierde verjaardag in de ruimte viert.

"Numerieke modellen en observaties gaan hand in hand in ons onderzoek, zei Bart De Pontieu, een auteur van de studie en IRIS-wetenschapsleider bij Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory, in Palo Alto, Californië. "We vergelijken observaties en modellen om erachter te komen hoe goed onze modellen presteren, en om de modellen te verbeteren als we grote verschillen zien."

Het observeren van spicules is een netelig probleem geweest voor wetenschappers die willen begrijpen hoe zonnemateriaal en -energie door en weg van de zon bewegen. Spicules zijn van voorbijgaande aard, vormen en instorten in de loop van slechts vijf tot tien minuten. Deze ijle structuren zijn ook moeilijk te bestuderen vanaf de aarde, waar de atmosfeer het zicht van onze telescopen vaak vertroebelt.

Een team van wetenschappers werkt al bijna tien jaar aan dit specifieke model, steeds opnieuw proberend om een ​​versie te maken die kruiden zou creëren. Eerdere versies van het model behandelden het interfacegebied, de lagere zonneatmosfeer, als een heet gas van elektrisch geladen deeltjes - of meer technisch, een volledig geïoniseerd plasma. Maar de wetenschappers wisten dat er iets ontbrak omdat ze in de simulaties nooit spicules zagen.

De sleutel, de wetenschappers beseften, was neutrale deeltjes. Ze werden geïnspireerd door de eigen ionosfeer van de aarde, een gebied in de bovenste atmosfeer waar interacties tussen neutrale en geladen deeltjes verantwoordelijk zijn voor veel dynamische processen.

Het onderzoeksteam wist dat in koelere gebieden van de zon, zoals de interface-regio, niet alle gasdeeltjes zijn elektrisch geladen. Sommige deeltjes zijn neutraal, en neutrale deeltjes zijn niet onderhevig aan magnetische velden zoals geladen deeltjes. Wetenschappers hadden eerdere modellen gebaseerd op een volledig geïoniseerd plasma om het probleem te vereenvoudigen. Inderdaad, inclusief de benodigde neutrale deeltjes was erg rekenkundig duur, en het uiteindelijke model duurde ongeveer een jaar om te draaien op de Pleiades-supercomputer in het Ames Research Center van NASA in Silicon Valley, en die honderden wetenschappelijke en technische projecten voor NASA-missies ondersteunt.

Het model begon met een basiskennis van hoe plasma beweegt in de atmosfeer van de zon. constante convectie, of koken, van materiaal door de zon genereert eilanden van verwarde magnetische velden. Als het koken ze naar de oppervlakte brengt en verder in de lagere atmosfeer van de zon, magnetische veldlijnen klikken snel terug op hun plaats om de spanning op te lossen, het verdrijven van plasma en energie. Uit dit geweld, er wordt een spicula geboren. Maar uitleggen hoe deze complexe magnetische knopen opkomen en breken, was het lastige deel.

"Normaal gesproken zijn magnetische velden nauw gekoppeld aan geladen deeltjes, " zei Juan Martínez-Sykora, hoofdauteur van de studie en een zonnefysicus bij Lockheed Martin en het Bay Area Environmental Research Institute in Sonoma, Californië. "Met alleen geladen deeltjes in het model, de magnetische velden zaten vast, en kon niet verder komen dan het oppervlak van de zon. Toen we neutrale kleuren toevoegden, de magnetische velden zouden vrijer kunnen bewegen."

Neutrale deeltjes zorgen voor het drijfvermogen dat de knoestige knopen van magnetische energie nodig hebben om door het kokende plasma van de zon te stijgen en de chromosfeer te bereiken. Daar, ze breken in spicules, waarbij zowel plasma als energie vrijkomt. Wrijving tussen ionen en neutrale deeltjes verwarmt het plasma nog meer, zowel in als rond de spicules.

With the new model, the simulations at last matched observations from IRIS and the Swedish Solar Telescope; spicules occurred naturally and frequently. The 10 years of work that went into developing this numerical model earned scientists Mats Carlsson and Viggo H. Hansteen, both authors of the study from the University of Oslo in Norway, the 2017 Arctowski Medal from the National Academy of Sciences. Martínez-Sykora led the expansion of the model to include the effects of neutral particles.

The scientists' updated model revealed something else about how energy moves in the solar atmosphere. It turns out this whip-like process also naturally generates Alfvén waves, a strong kind of magnetic wave scientists suspect is key to heating the sun's atmosphere and propelling the solar wind, which constantly bathes our solar system and planet with charged particles from the sun.

"This model answers a lot of questions we've had for so many years, " De Pontieu said. "We gradually increased the physical complexity of numerical models based on high-resolution observations, and it is really a success story for the approach we've taken with IRIS."

The simulations indicate spicules could play a big role in energizing the sun's atmosphere, by constantly forcing plasma out and generating so many Alfvén waves across the sun's entire surface.

"This is a major advance in our understanding of what processes can energize the solar atmosphere, and lays the foundation for investigations with even more detail to determine how big of a role spicules play, " said Adrian Daw, IRIS mission scientist at NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "A very nice result on the eve of our launch anniversary."