Het was 14 augustus 2017, slechts een week voordat de maan de zon en de aarde zou kruisen, werpt zijn schaduw over de Verenigde Staten. Het hele land gonsde van verwachting voor de vluchtige kans om de corona te zien, de ijle buitenatmosfeer van de zon.

Maar het wachten was buitengewoon zenuwslopend voor een groep wetenschappers van Predictive Science Inc., een particulier onderzoeksbureau in San Diego:ze hadden net een voorspelling gepubliceerd van hoe de corona eruit zou zien op 21 augustus, de dag van de totale zonsverduistering. Hoe zou hun voorspelling - het resultaat van een complex numeriek model en tientallen uren computergebruik - zich verhouden tot de werkelijkheid?

"Wachten op de totaliteit, je weet precies wat je hebt voorspeld en wat je verwacht, Predictive Science-onderzoeker Zoran Miki? zei. "Omdat je zoveel met het model werkt en de voorspelling zo vaak ziet, het is in je hersenen gebrand. Er is veel angst, want als je het helemaal mis hebt, het is een beetje gênant."

De Predictive Science-onderzoekers gebruikten gegevens van NASA's Solar Dynamics Observatory, of SDO, om een ​​model te ontwikkelen dat de corona simuleert. Hun model gebruikt metingen van magnetische velden op het oppervlak van de zon om te voorspellen hoe het magnetische veld de corona vormt. Hun werk werd ondersteund door NASA, de National Science Foundation en het Air Force Office of Scientific Research. Mik? is de hoofdauteur van een paper waarin hun werk wordt samengevat en is gepubliceerd in Natuurastronomie op 27 augustus 2018.

Coronale wetenschap is diep geworteld in de geschiedenis van totale zonsverduisteringen; zelfs met de modernste technologie, het is alleen tijdens een totale zonsverduistering dat wetenschappers het laagste deel van de corona kunnen oplossen, net boven het oppervlak van de zon. Dit dynamische deel van de zonneatmosfeer is doorspekt met complexe magnetische velden die de energie leveren voor enorme uitbarstingen zoals fakkels en coronale massa-ejecties.

Terwijl deeltjes en straling van zonne-explosies van de zon uitgaan, ze kunnen zich manifesteren als verstoringen in de ruimte nabij de aarde, ruimteweer genoemd. Net zo variabel als het weer dat we op aarde ervaren, ruimteweer kan communicatiesignalen verstoren, astronauten en satellieten in een baan om de aarde, of zelfs elektriciteitsnetten.

Het vermogen om ruimteweer te voorspellen en te voorspellen - net zoals we dat doen met terrestrisch weer - is van cruciaal belang om deze effecten te verzachten, en modellen zoals die van Predictive Science zijn daarbij belangrijke instrumenten.

Eclipsen bieden onderzoekers een unieke kans om hun modellen te testen. Door de coronavoorspelling van het model te vergelijken met waarnemingen tijdens de zonsverduistering zelf, ze konden de prestaties van hun modellen beoordelen en verbeteren.

Het model dat het Predictive Science-team gebruikte voor de eclips van augustus 2017 was hun meest complexe tot nu toe in twee decennia van eclips-voorspelling.

Grotere complexiteit vereist meer rekenuren, en elke simulatie vereiste duizenden processors en nam ongeveer twee dagen in realtime in beslag. De onderzoeksgroep voerde hun model uit op verschillende supercomputers, waaronder faciliteiten aan de Universiteit van Texas in Austin's Texas Advanced Computer Center; het San Diego Supercomputer Center aan de Universiteit van Californië in San Diego; en de Pleiades-supercomputer in de NASA Advanced Supercomputing-faciliteit in het Ames Research Center van NASA in Silicon Valley, Californië.

Naast SDO's kaarten van het magnetische veld van de zon, het model gebruikte SDO-waarnemingen van protuberansen - slangachtige structuren gemaakt van koel, dicht zonnemateriaal dat uit het oppervlak van de zon steekt. Protuberansen vormen zich in onder spanning staande delen van het magnetische veld, waar het in een touw is gedraaid en kan uitbarsten als het wordt opgewonden.

De onderzoekers namen ook nieuwe berekeningen op voor coronale verwarming. We begrijpen nog niet hoe de corona oplaait tot meer dan 2 miljoen graden Fahrenheit, terwijl slechts 1, 000 mijl lager, het onderliggende oppervlak suddert op een zwoele 10, 000 F. Eén theorie stelt dat elektromagnetische golven - Alfvén-golven genaamd - gelanceerd vanaf het karnenoppervlak van de zon de corona in rennen, verwarmende deeltjes terwijl ze zich naar buiten voortplanten, een beetje zoals hoe oceaangolven surfers naar de kust duwen en versnellen.

Door rekening te houden met protuberansen en deze kleine maar talrijke golven, de wetenschappers hoopten een steeds gedetailleerder portret te schilderen van het complexe gedrag van de corona.

Na de zonsverduistering, de groep ontdekte dat hun voorspelling een opvallende gelijkenis vertoonde met de 21 augustus, 2017, corona, hoewel het model veel fijnere structuren mist. Zowel de voorspelling als de foto's vanaf de grond genomen op de dag van de zonsverduistering tonen drie helmwimpels - immens, bloembladvormige structuren die zich vormen over een netwerk van magnetische lussen. De kracht van de vergelijking ondersteunt de vooruitgang in het nieuwe model.

Wetenschappers hebben altijd geweten dat de gedraaide magnetische velden die ten grondslag liggen aan protuberansen een belangrijk onderdeel vormen van de zon, maar de eerdere modellen van het team waren niet geavanceerd genoeg om dit te weerspiegelen. Hetzelfde geldt voor de golven die de corona verwarmen. "In zekere zin, de prestaties van het model vertellen ons dat het nieuwe verwarmingsmodel de goede kant op gaat, Miki? zei. "Het laat zeker verbeterde resultaten zien. We moeten het verder nastreven en verfijnen."

Op het gebied van eclipsvoorspellingen, het helpt als de zon stil is, of minder actief. In augustus 2017, de zon bevond zich in zo'n rustige fase, gestaag naar een periode van lage zonneactiviteit in zijn ongeveer 11-jarige cyclus.

De wetenschappers voedden hun model met magnetische veldgegevens die de afgelopen 27 dagen waren verzameld vanaf de naar de aarde gerichte kant van de zon - de tijd die de zon nodig heeft om één volledige omwenteling te voltooien - omdat ze momenteel geen manier hebben om de hele bolvormige zonne-energie te observeren. in één keer aan de oppervlakte komen. Met die aanpak, metingen die aan het begin van de periode van 27 dagen zijn gedaan - van delen van het oppervlak van de zon die vervolgens naar achteren zijn gedraaid waar ze niet meer kunnen worden gezien - zullen waarschijnlijk verouderd raken dan die aan het einde. Maar in tijden van verminderde zonneactiviteit, het magnetische veld verandert niet snel, dus zelfs 27 dagen oude gegevens zijn nuttig.

Een discrepantie tussen de voorspelling en de waarnemingen is een magerder kenmerk, een pseudostreamer genoemd, die uit de rechterbovenhoek van de zon straalt. De onderzoekers stelden vast dat hun model de pseudostreamer miste omdat het magnetische veld in dat specifieke gebied veranderde tijdens de gegevensverzameling. De voorspelling van een ander model heeft deze pseudostreamer met succes vastgelegd, Mik? zei, omdat het het magnetische veld daar nauwkeuriger lijkt te hebben geschat.

"Het belangrijkste dat ik hiervan afleid, is dat ze een geavanceerd model hebben dat er goed uitziet, maar ze worden beperkt door hun waarnemingen, " zei Alex Jong, een zonnewetenschapper bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, die niet bij het onderzoek betrokken was. "Wat het model mist, is dat de zon verandert, en dat kunnen ze niet aan zonder voldoende observaties van de juiste plaatsen."

Het testen van een model als dit ondersteunt zo grondig het idee dat, met meer data en diverse uitkijkpunten, wetenschappers kunnen de fijnere dynamiek van de zon beter berekenen - en uiteindelijk hun vermogen verbeteren om ruimteweergebeurtenissen te voorspellen die de technologie en astronauten in de ruimte kunnen verstoren.

Iets minder dan een jaar nadat miljoenen tijdens de totale zonsverduistering zelf een glimp opvingen van de corona, op 12 aug. 2018, NASA lanceerde Parker Solar Probe op weg om daadwerkelijk door de corona te vliegen, dichter bij de zon komen dan enig ander ruimtevaartuig.

Parker Solar Probe zal vanuit de corona zelf waarnemingen naar de aarde sturen, die onderzoekers kunnen toevoegen aan hun modellen, het opvullen van cruciale kennislacunes in de gecompliceerde fysica van de corona.

Mik? genoemde modellen zoals die van hen kunnen de missie aanvullen door de reis van het ruimtevaartuig door de corona te contextualiseren. Wetenschappers hebben nog nooit gewerkt met gegevens die zo dicht bij de zon zijn verzameld. Door de hele corona - het grotere geheel - te modelleren, zullen onderzoekers een cruciaal perspectief bieden op de omgeving van Parker terwijl deze zich op volledig onontgonnen terrein begeeft.

"Dit is verbazingwekkende wetenschap voor Parker Solar Probe en van de eclips, dat één belangrijk doel deelt, " zei Thomas Zurbuchen, associate administrator bij NASA Headquarters in Washington. "Buiten de wetenschap, dit gaat over het echt verbeteren van ons begrip van en het vermogen om ruimteweer te voorspellen, een grote impact die we bij NASA kunnen hebben."