In een studie gepubliceerd in Natuurastronomie , heeft een internationaal team van onderzoekers een nieuwe, gedetailleerde blik in de "centrale motor" van een grote zonnevlam vergezeld van een krachtige uitbarsting die voor het eerst werd vastgelegd op 10 september, 2017 door de Owens Valley Solar Array (EOVSA) - een zonne-radiotelescoopfaciliteit die wordt beheerd door het Center for Solar-Terrestrial Research (CSTR) van het New Jersey Institute of Technology (NJIT).

De nieuwe bevindingen, gebaseerd op EOVSA's waarnemingen van de gebeurtenis bij microgolfgolflengten, bieden de eerste metingen aan die de magnetische velden en deeltjes in het hart van de explosie karakteriseren. De resultaten hebben een enorme elektrische stroom "sheet" onthuld die meer dan 40, 000 kilometer door het kernaffakkelgebied waar tegengestelde magnetische veldlijnen elkaar naderen, breken en opnieuw verbinden, het genereren van de intense energie die de fakkel aandrijft.

Opmerkelijk, de metingen van het team wijzen ook op een magnetische flesachtige structuur aan de bovenkant van de lusvormige basis van de fakkel (bekend als de fakkelarcade) op een hoogte van bijna 20, 000 kilometer boven het oppervlak van de zon. De structuur, stelt het team voor, is waarschijnlijk de primaire plaats waar de zeer energetische elektronen van de flare worden gevangen en versneld tot bijna de lichtsnelheid.

Onderzoekers zeggen dat het nieuwe inzicht van de studie in de centrale motor die zulke krachtige uitbarstingen aanstuurt, toekomstige voorspellingen van het ruimteweer kan helpen voor potentieel catastrofale energievrijgaven door zonnevlammen - de krachtigste explosies van het zonnestelsel, in staat zijn om technologieën op aarde, zoals satellietoperaties, GPS-navigatie- en communicatiesystemen, onder vele anderen.

"Een van de belangrijkste doelen van dit onderzoek is om de fundamentele fysica van zonne-uitbarstingen beter te begrijpen, " zei Bin Chen, de hoofdauteur van het artikel en hoogleraar natuurkunde aan het NJIT. "Er is lang gesuggereerd dat de plotselinge afgifte van magnetische energie door het herverbindingsstroomblad verantwoordelijk is voor deze grote uitbarstingen, toch is er geen meting van zijn magnetische eigenschappen geweest. Met deze studie hebben we eindelijk voor het eerst de details van het magnetische veld van een stroomplaat gemeten, geeft ons een nieuw begrip van de centrale motor van de grote zonnevlammen."

"De plaats waar alle energie wordt opgeslagen en vrijkomt in zonnevlammen was tot nu toe onzichtbaar. ... Om met een term uit de kosmologie te spelen, het is het 'donkere energieprobleem' van de zon, ' en eerder moesten we indirect concluderen dat de magnetische herverbindingsplaat van de fakkel bestond, " zei Dale Gary, EOVSA-directeur bij NJIT en co-auteur van het artikel. "EOVSA's beelden gemaakt op vele microgolffrequenties lieten zien dat we radio-emissies kunnen vastleggen om deze belangrijke regio te verlichten. Toen we die gegevens eenmaal hadden, en de analysetools gemaakt door co-auteurs Gregory Fleishman en Gelu Nita, we konden beginnen met het analyseren van de straling om deze metingen mogelijk te maken."

Eerder dit jaar in het journaal Wetenschap , het team meldde dat het eindelijk kwantitatieve metingen van de veranderende magnetische veldsterkte kon leveren direct na de ontsteking van de fakkel.

Hun onderzoek voortzettend, de nieuwste analyse van het team combineerde numerieke simulaties uitgevoerd bij Center for Astrophysics | Harvard &Smithsonian (CfA) met EOVSA's spectrale beeldvormingswaarnemingen en multigolflengtegegevens - van radiogolven tot röntgenstralen - verzameld van de X8.2-zonnevlam. De uitbarsting is de op één na grootste die heeft plaatsgevonden in de afgelopen 11-jarige zonnecyclus, optredend met een snelle coronale massa-ejectie (CME) die een grootschalige schok veroorzaakte in de bovenste zonnecorona.

Onder de verrassingen van de studie, de onderzoekers ontdekten dat het gemeten profiel van het magnetische veld langs het huidige blad van de fakkel nauw overeenkomt met de voorspellingen van de numerieke simulaties van het team, die waren gebaseerd op een bekend theoretisch model voor het verklaren van de fysica van zonnevlammen, voor het eerst voorgesteld in de jaren 1990 met een analytische vorm.

"Het verraste ons dat het gemeten magnetische veldprofiel van de huidige plaat prachtig overeenkwam met de theoretische voorspelling die decennia geleden werd gedaan, " zei Chen.

"De kracht van het magnetische veld van de zon speelt een sleutelrol bij het versnellen van plasma tijdens een uitbarsting. Ons model werd gebruikt voor het berekenen van de fysica van de magnetische krachten tijdens deze uitbarsting, die zich manifesteert als een sterk gedraaid 'touw' van magnetische veldlijnen, of magnetische fluxkabel, " legde Kathy Reeves uit, astrofysicus bij CfA en co-auteur van de studie. "Het is opmerkelijk dat dit gecompliceerde proces kan worden vastgelegd door een eenvoudig analytisch model, en dat de voorspelde en gemeten magnetische velden zo goed overeenkomen."

De simulaties, uitgevoerd door Chengcai Shen bij CfA, werden ontwikkeld om heersende vergelijkingen numeriek op te lossen voor het kwantificeren van het gedrag van elektrisch geleidend plasma door het magnetische veld van de flare. Door een geavanceerde rekentechniek toe te passen die bekend staat als "adaptieve mesh-verfijning, "Het team was in staat om het dunne herverbindingsstroomblad op te lossen en de gedetailleerde fysica vast te leggen op superfijne ruimtelijke schalen tot onder de 100 kilometer.

"Onze simulatieresultaten komen overeen met zowel de theoretische voorspelling van de magnetische veldconfiguratie tijdens een zonne-uitbarsting als een reeks waarneembare kenmerken van deze specifieke uitbarsting, inclusief magnetische sterkte en plasma-instroom / -uitstroom rond het opnieuw aansluitende stroomblad, ’ merkte Shen op.

Schokkende metingen

De metingen van het team en de overeenkomende simulatieresultaten onthulden dat het huidige blad van de fakkel een elektrisch veld bevat dat een schokkende 4, 000 volt per meter. Zo'n sterk elektrisch veld is aanwezig over een 40, 000 kilometer regio, groter is dan de lengte van drie naast elkaar geplaatste aardes.

De analyse toonde ook aan dat een enorme hoeveelheid magnetische energie in de huidige plaat wordt gepompt met een geschatte snelheid van 10-100 miljard biljoen (10 ²² -10 ²³ ) joule per seconde - dat wil zeggen, de hoeveelheid energie die wordt verwerkt door de motor van de fakkel, binnen elke seconde, is gelijk aan de totale energie die vrijkomt bij de explosie van ongeveer honderdduizend van de krachtigste waterstofbommen (klasse van 50 megaton) tegelijkertijd.

"Zo'n enorme energieafgifte bij het huidige blad is verbluffend. Het sterke elektrische veld dat daar wordt gegenereerd, kan de elektronen gemakkelijk versnellen tot relativistische energieën, maar het onverwachte feit dat we ontdekten was dat het elektrische veldprofiel in het huidige bladgebied niet samenviel met de ruimtelijke verdeling van relativistische elektronen die we hebben gemeten, "zei Chen. "Met andere woorden, er moest iets anders in het spel zijn om deze elektronen te versnellen of om te leiden. Wat onze gegevens lieten zien, was een speciale locatie aan de onderkant van het huidige blad - de magnetische fles - die cruciaal lijkt te zijn bij het produceren of beperken van de relativistische elektronen."

"Terwijl het huidige blad de plaats lijkt te zijn waar de energie vrijkomt om de bal aan het rollen te krijgen, de meeste elektronenversnelling lijkt op deze andere locatie plaats te vinden, de magnetische fles. ... Soortgelijke magnetische flessen zijn in ontwikkeling voor het opsluiten en versnellen van deeltjes in sommige laboratoriumfusiereactoren." voegde Gary eraan toe. "Anderen hebben eerder een dergelijke structuur in zonnevlammen voorgesteld, maar we kunnen het nu echt zien in de cijfers."

Ongeveer 99% van de relativistische elektronen van de flare werden waargenomen bij de magnetische fles gedurende de vijf minuten durende emissie.

Voor nu, Chen zegt dat de groep deze nieuwe metingen zal kunnen toepassen als een vergelijkende basislijn om andere zonnevlamgebeurtenissen te bestuderen. en het exacte mechanisme onderzoeken dat deeltjes versnelt door de nieuwe waarnemingen te combineren, numerieke simulaties en geavanceerde theorieën. Vanwege de baanbrekende mogelijkheden van EOVSA, NJIT is onlangs geselecteerd om deel te nemen aan een gezamenlijke NASA/NSF DRIVE Science Center Collaboration on Solar Flare Energy Release (SolFER).

"Ons doel is om een ​​volledig begrip te ontwikkelen van zonnevlammen, vanaf hun initiatie totdat ze uiteindelijk zeer energieke deeltjes in de zonnewind spuiten, en eventueel, in de ruimteomgeving van de aarde, " zei Jim Drake, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Maryland en hoofdonderzoeker van SolFER die niet betrokken was bij deze studie. "Deze eerste waarnemingen suggereren al dat relativistische elektronen kunnen worden opgesloten in een grote magnetische fles die wordt geproduceerd als de magnetische velden van de corona 'opnieuw aansluiten' om hun energie vrij te geven ... De EOVSA-waarnemingen zullen ons blijven helpen ontrafelen hoe het magnetische veld aanstuurt deze energetische elektronen."

"Verder onderzoek naar de rol van de magnetische fles bij het versnellen en transporteren van deeltjes vereist meer geavanceerde modellering om te vergelijken met de waarnemingen van EOVSA, "zei Chen. "Er zijn zeker enorme vooruitzichten voor ons om te bestuderen die deze fundamentele vragen aanpakken."