Onderzoekers van de North Carolina State University en de Universities Space Research Association hebben een grote stap gezet in het begrijpen van de oorsprong van de uiterst schadelijke uitbarstingen van straling waarmee astronauten te maken krijgen tijdens ruimtereizen buiten het magnetische schild van de aarde.

De wetenschappers simuleerden zonne-uitbarstingen en de daaropvolgende versnelling van geladen deeltjes in de zonnecorona met ultramoderne supercomputersimulaties. Ze ontdekten dat het versnellingsmechanisme specifieke omstandigheden in de zonnewind vereist. Zonnewind is een voortdurende uitstroom van geladen deeltjes van de zon.

Wanneer de snelheid van de zonnewind tussen grofweg 500 en 650 kilometer per seconde ligt en er grote gebieden op de zon zijn waar sterke magnetische velden door het oppervlak prikken, zijn de omstandigheden geschikt om het versnellingsmechanisme te laten werken.

De observaties van de wetenschappers zouden kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe ruimteweermodellen die schadelijke ruimtestraling voorspellen met voldoende aanlooptijd om astronauten te beschermen die buiten het magnetische schild van de aarde werken. Ruimtestraling is een groot gevaar voor de gezondheid van astronauten en vormt een aanzienlijke uitdaging voor menselijke missies naar de maan en Mars.

De bevindingen van het onderzoeksteam zijn gepubliceerd in het tijdschrift _Physical Review Letters_.

"Wanneer astronauten buiten de beschermende magnetosfeer van de aarde reizen, worden ze blootgesteld aan hoge niveaus van ruimtestraling", zegt Dr. Vassilis Angelopoulos, Alumni Distinguished Undergraduate Professor bij het Department of Physics van NC State en corresponderende auteur van het onderzoek. "Veel van deze straling neemt de vorm aan van zeer energetische protonen. Ondanks tientallen jaren van onderzoek begrijpen we echter nog steeds niet volledig de fysieke mechanismen die deze protonen tot zulke hoge energieën versnellen."

Astrofysici geloven dat de versnelling waarschijnlijk plaatsvindt in de zonnecorona (de buitenste atmosfeer van de zon) en dat deze in fasen moet plaatsvinden omdat geen enkel proces de protonen kan versnellen tot energieën die nabij de aarde worden waargenomen. Het heersende scenario is dat de protonen heel dicht bij de zon een aanzienlijke hoeveelheid energie verkrijgen door het opnieuw verbinden van magnetische veldlijnen – een proces dat magnetische herverbinding wordt genoemd – en vervolgens verder worden versneld door een tot nu toe onbekend mechanisme ergens in de binnenste heliosfeer – het gebied tussen de zon en de aarde.

Waarnemingen tonen aan dat deze energetische gebeurtenissen verband lijken te houden met zonne-uitbarstingen waarbij zogenaamde coronale massa-ejecties (CME's) betrokken zijn. CME's zijn echter ook alomtegenwoordige verschijnselen die voortdurend voorkomen, maar toch produceren slechts heel weinig ervan (slechts ongeveer 1%) uiteindelijk gevaarlijke straling.

"Dit toont aan dat CME's alleen niet verantwoordelijk kunnen zijn voor de versnelling", zei Angelopoulos. "Er moet nog iets zijn:een aantal specifieke omstandigheden die leiden tot de start van het deeltjesversnellingsproces."

Wat zijn deze specifieke voorwaarden?

Het onderzoeksteam voerde een uitgebreide reeks op fysica gebaseerde simulaties uit met ultramoderne supercomputermodellen van zonne-uitbarstingen, waaronder CME's. Ze ontdekten dat de versnelling van de hoogenergetische protonen begint wanneer de zonnewind een bepaald snelheidsbereik heeft en er grote gebieden op de zon zijn met sterke magnetische velden die door het zonneoppervlak dringen.

"De zonnecorona zit vol met magnetische velden, en we hebben lang vermoed dat magnetische velden een cruciale rol spelen in het versnellingsproces", zegt dr. Xiaowei Wang, voormalig postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling natuurkunde van NC State en hoofdauteur van het papier. "Maar magnetische velden moeten precies op de juiste manier worden gestructureerd, zoals een slinky die zich volledig over de zon uitstrekt. Onze numerieke simulaties laten zien dat wanneer deze omstandigheden zich voordoen, de weg is vrijgemaakt voor het genereren van hoogenergetische protonen."

Wanneer dergelijke gunstige omstandigheden aanwezig zijn, kan magnetische herverbinding zeer snel plaatsvinden. Dit kan op zijn beurt de magnetische velden snel zodanig herstructureren dat elektrische velden de protonen versnellen tot hoge energieën.

Ruimteweermodellen kunnen mogelijk het optreden en de aankomsttijden van hoogenergetische protongebeurtenissen op aarde voorspellen als ze informatie kunnen verschaffen over de zonnewindomstandigheden en de grootschalige magnetische veldstructuur op de zon. Het ontwikkelen van ruimteweermodellen met dit vermogen is een uitdaging maar haalbaar, en het onderzoek in de groep van Angelopoulos gaat in die richting verder.