Zonnevlammen behoren tot de meest gewelddadige explosies in ons zonnestelsel, maar ondanks hun immense energie - gelijk aan honderd miljard atoombommen die tegelijk ontploffen - hebben natuurkundigen nog steeds niet precies kunnen beantwoorden hoe deze plotselinge uitbarstingen op de zon in staat zijn om lanceren deeltjes naar de aarde, bijna 93 miljoen mijl verderop, in minder dan een uur.

Nu, in een studie gepubliceerd op 8 juni in Nature , hebben onderzoekers van het New Jersey Institute of Technology (NJIT) de precieze locatie bepaald waar door zonnevlammen geladen deeltjes worden versneld tot bijna de lichtsnelheid.

De nieuwe bevindingen, mogelijk gemaakt door observaties van een X-klasse zonnevlam in 2017 door NJIT's Expanded Owens Valley Solar Array (EOVSA) radiotelescoop, hebben een zeer efficiënte deeltjesversneller onthuld die zich op het puntje van het helderste punt van de uitbarsting in de de buitenste atmosfeer van de zon, het "cusp-gebied" van de flare genoemd, waar het omringende plasma van de explosie wordt omgezet in hoogenergetische elektronen.

Onderzoekers zeggen dat de ontdekking van het gebied, gemeten op bijna twee keer het volume van de aarde, nieuwe deuren zou kunnen openen voor het onderzoeken van fundamentele processen van deeltjesversnelling die alomtegenwoordig zijn in het universum.

"De bevindingen in deze studie helpen bij het verklaren van het al lang bestaande mysterie van hoe zonnevlammen in slechts enkele seconden zoveel energie kunnen produceren", zegt Gregory Fleishman, corresponderend auteur van het artikel en vooraanstaand onderzoeksprofessor natuurkunde bij NJIT's Center for Solar-Terrestrial Research . "De zonnevlam ontketent zijn kracht in een veel groter gebied van de zon dan verwacht door het klassieke model van zonnevlammen. Hoewel anderen hebben gepostuleerd dat dit moet gebeuren, is dit de eerste keer dat de specifieke grootte, vorm en locatie van dit belangrijke gebied is geïdentificeerd, en de efficiëntie van de energieconversie naar deeltjesversnelling binnen de fakkel is gemeten."

De ontdekking volgt op afzonderlijke onderzoeken uit 2020 gepubliceerd in Science en Natuurastronomie , waar EOVSA's gedetailleerde snapshots van de zonnevlam en veranderingen in het magnetische veld van de zon - genomen op honderden radiofrequenties tegelijk - het NJIT-team aanvankelijk een aanwijzing gaven over de locatie.

"Onze recente studies suggereerden dat de flare-cusp de locatie zou kunnen zijn waar dergelijke hoogenergetische elektronen worden geproduceerd, maar we waren niet zeker", legt Bin Chen, universitair hoofddocent bij NJIT en co-auteur van het artikel, uit. "We hadden oorspronkelijk een magnetische flesachtige structuur op de site ontdekt die een overweldigend groot aantal elektronen bevatte in vergelijking met ergens anders in de flare, maar nu met de nieuwe metingen van deze studie kunnen we met meer vertrouwen zeggen dat dit het deeltje van de flare is versneller."

Met behulp van de unieke microgolfbeeldvormingsmogelijkheden van EOVSA was het team in staat om het energiespectrum van elektronen te meten op honderden locaties van een X-klasse zonnevlam veroorzaakt door een herconfiguratie van magnetische veldlijnen langs het oppervlak van de zon op 10 september 2017.

"De spectrale beeldvorming van EOVSA gaf ons een uitgebreide kaart van het thermische plasma van de fakkel terwijl het zich van seconde tot seconde ontwikkelde. Maar tot onze verbazing vonden we een mysterieus gat in de thermische plasmakaart dat zich begon te ontwikkelen aan de vooravond van de fakkel," zei Gelu Nita, NJIT-onderzoeksprofessor en co-auteur van het artikel. "Meer nog, toen thermische deeltjes in de regio verdwenen, werd het gat vervolgens dicht opgevuld met niet-thermische, hoogenergetische deeltjes."

De analyse van het team bracht een ongelooflijk efficiënt energieconversieproces aan het licht in de deeltjesversneller van de zonnevlam, waarbij intense energie van de magnetische velden van de zon snel wordt vrijgegeven en overgedragen aan kinetische energie in de regio.

"We vroegen ons af hoe efficiënt dit energieomzettingsproces zou zijn... hoeveel deeltjes in dit gebied zouden worden versneld voorbij de thermische energie van de explosie?" toegevoegd Sijie Yu, co-auteur van de studie en NJIT-assistent-onderzoeksprofessor. "Met behulp van extreem ultraviolette gegevens van de zon hebben we bevestigd dat er vrijwel geen deeltjes in het gebied achterbleven bij thermische energieën onder een paar miljoen Kelvin, in overeenstemming met de EOVSA-meting dat de deeltjes allemaal waren versneld tot niet-thermische energieën van meer dan 20 keV, of bijna 100 miljoen Kelvin."

Het team zegt nu dat deze nieuwste bevindingen wetenschappers kunnen helpen bij het bestuderen van fundamentele vragen in de deeltjesfysica die op aarde niet mogelijk zijn, en nieuwe inzichten bieden in hoe dergelijke hoogenergetische deeltjes van de zon de aarde kunnen beïnvloeden tijdens toekomstige ruimteweergebeurtenissen.

"Een belangrijk aspect van deze studie is dat het de aandacht van theoretici vestigt op de precieze locatie waar de meeste energie-afgifte en deeltjesversnelling plaatsvinden, en kwantitatieve metingen levert om numerieke modellen te begeleiden", zegt Dale Gary, onderscheiden professor en directeur van het NJIT. EOVSA. "However, to extend our measurements to much broader flare regions and weaker but more frequent flare events, we are developing a next-generation, solar-dedicated radio array called the Frequency Agile Solar Radiotelescope, which will be at least 10 times larger and orders of magnitude more powerful."

"We still want to investigate the physical mechanism driving particle acceleration in solar flares. But future studies must account for what we now know about these enormous explosions—both the main energy release at the cusp region and the 100% efficiency at which charged particle acceleration occurs," said Fleishman. "These findings call for a major revision to the models we use to study solar flares and their impact on Earth." + Verder verkennen

Scientists measure the evolving energy of a solar flare's explosive first minutes