I september förra året, en massiv ny region av magnetfält bröt ut på solens yta bredvid en befintlig solfläck. Den kraftfulla kollisionen av magnetfält producerade en serie potenta solflammor, orsakar turbulenta rymdväderförhållanden på jorden. Dessa var de första blossarna som fångades, i deras utveckling ögonblick för ögonblick, av New Jersey Institute of Technologys (NJIT) nyligen utökade Owens Valley Solar Array (EOVSA).

Med 13 antenner som nu arbetar tillsammans, EOVSA kunde för första gången ta bilder av blossen i flera radiofrekvenser samtidigt. Denna förbättrade förmåga att kika in i mekanik för facklor erbjuder forskare nya vägar att undersöka de mest kraftfulla utbrotten i vårt solsystem.

"Dessa septemberflammor inkluderade två av de starkaste av den nuvarande 11-åriga solaktivitetscykeln, slungade strålning och laddade partiklar mot jorden som störde radiokommunikation, sa Dale Gary, framstående professor i fysik vid NJIT:s Center for Solar-Terrestrial Research (CSTR) och EOVSA:s chef. Periodens sista bloss, den 10 september, var "det mest spännande, " han lade till.

"Solfläcksregionen passerade precis över soldelen - solens kant när den roterar - och vi kunde se den jämförande höjden av blossen i många olika våglängder, från optisk, till ultraviolett, till röntgenstrålar, till radio, " berättade han. "Denna utsikt gav en underbar chans att fånga strukturen av ett stort solfloss med alla dess ingredienser."

Radioemissioner genereras av energiska elektroner som accelereras i korona, solens varma övre atmosfär. Modern solfysik förlitar sig på observationer vid många våglängder; radioavbildning kompletterar dessa genom att direkt observera partikelaccelerationen som driver hela processen. Genom att mäta radiospektrum på olika platser i solatmosfären, speciellt när den kan göra det tillräckligt snabbt för att följa förändringar under solflammor, det blir en kraftfull diagnos av den snabbt föränderliga solmiljön under dessa utbrott.

EOVSA, som finansieras av National Science Foundation, är det första radioavbildningsinstrumentet som kan göra spektrala bilder tillräckligt snabba – på en sekund – för att följa de snabba förändringarna som sker i solflammor. Denna förmåga gör att radiospektrumet kan mätas dynamiskt i hela det utvidgade området, för att fastställa platsen för partikelaccelerationen och kartlägga var dessa partiklar färdas. Bilder av soluppblåsningar vid de flesta andra våglängder visar bara konsekvenserna av uppvärmning av de accelererade partiklarna, medan radioemission direkt kan visa partiklarna själva.

"Ett av solforskningens stora mysterier är att förstå hur solen producerar extremt högenergipartiklar på så kort tid, " noterade Gary. "Men för att svara på den frågan, vi måste ha kvantitativ diagnostik av både partiklarna och miljön, speciellt det magnetiska fältet som är kärnan i energiutsläppet. EOVSA gör det möjligt för radiovåglängder för första gången. "

Gary presenterade EOVSA:s nya rön den här veckan vid Triennial Earth-Sun Summit (TESS) möte, som sammanför solfysikavdelningen av American Astronomical Society (AAS) och sektionen för solfysik och aeronomie i American Geophysical Union (AGU).

"EOVSA:s nya resultat har väckt stort intresse vid TESS-mötet, sa Bin Chen, biträdande professor i fysik vid CSTR, som leder en session fokuserad på den intensiva solaktiviteten som inträffade i september förra året. "Ett antal experter vid mötet kommenterade att dessa resultat skulle lägga till fundamentalt nya insikter i förståelsen av energiutsläpp och partikelacceleration i solflammor."

Bland andra upptäckter, forskare vid EOVSA har lärt sig att radioemissioner i en flare är spridda över en mycket större region än tidigare känt, vilket indikerar att partiklar med hög energi snabbt transporteras i stort antal genom det explosiva magnetiska fältets "bubbla" som kallas en koronal massutstötning (CME).

"Detta är viktigt eftersom CME driver chockvågor som ytterligare accelererar partiklar som är farliga för rymdfarkoster, astronauter och till och med människor i flygplan som flyger polarvägar. Hittills, det förblir ett mysterium hur dessa chockvågor ensamma accelererar partiklar, eftersom fysiken inte förstås, "sa han." En av teorierna är att "frö" -partiklar måste finnas i chockområdet, som kan generera de vågor som behövs för ytterligare acceleration. Det har länge spekulerats i att blossar, som är kända för att accelerera partiklar, kan ge dem. Tidigare observationer, främst med röntgenstrålar, visa alltid de partiklarna som är begränsade till mycket låga höjder och det har inte förståtts hur sådana partiklar kan komma till chocken. Radiobilderna visar bevis för partiklar i en mycket större region, ge dem fler möjligheter att få tillgång till chockregionen."

Solfläckar är den primära generatorn av solflammor, det plötsliga, kraftfulla explosioner av elektromagnetisk strålning och laddade partiklar som bryter ut i rymden under explosioner på solens yta. Deras vridningsrörelse gör att energi byggs upp som frigörs i form av bloss.

EOVSA designades för att göra högupplösta radiobilder av reflexer (1-sekunds kadens), solfläcksregioner (20 minuters kadens), full sol (några per dag) och hundratals frekvenser över ett brett frekvensband, vilket gör det till det första solinstrumentet som kan mäta radiospektrumet från punkt till punkt i det flammande området.

"Vi arbetar mot en kalibrerings- och avbildningspipeline för att automatiskt generera mikrovågsbilder som observerats av EOVSA, och göra dem tillgängliga för samhället dagligen, " lade Chen till, som leder EOVSA:s pipelinesatsning.

"Det mest oväntade avslöjandet hittills från EOVSA är vad vi ser vid de lägsta radiofrekvenserna, " noterade Gary. "Observationer av flammor baserade på höga radiofrekvenser och baserade på röntgenobservationer visar en flamma som är relativt liten, kompakt region även om vi ser bevis för uppvärmning över ett mycket större område. Även om vi hade sällsynta observationer från det förflutna som verkade visa stora radiokällor, EOVSA har nu gjort det rutinmässigt att avbilda stora radiokällor som är ännu större vid lägre frekvenser. "

Initialt, han och hans kollegor kunde inte utnyttja dessa nya regioner, dock. Efter att arrayen var klar, de insåg att mobiltelefontorn i Owens Valley orsakade mycket högre nivåer av radiofrekvensstörningar än förväntat. Som ett resultat, de designade "notch"-filter som kunde skära ut de frekvenser som påverkas mest av mobiltorn.

"Detta är viktigt eftersom många intressanta solradioskurar inträffar i celltornsområdet (1,9-2,2 GHz). Det är de lägre frekvenserna som bäst visar detta nya och inte välförstådda fenomen med stora källor, " sa Gary. "På något sätt, de accelererade partiklarna transporteras till en mycket större volym av koronan än vi trodde."

Med ny finansiering från NASA, Gary och kollegor kommer att mäta det rumsligt upplösta radiospektrumet av solflammor, bestämma partikel- och plasmaparametrarna som en funktion av position och tid, och använd sedan 3-dimensionell modellering, som hans grupp har utvecklat, att fullt ut förstå den initiala accelerationen och efterföljande transport av högenergipartiklar.

Solen går igenom 11-åriga aktivitetscykler, och det senaste året kan ha gett de sista blossarna vi kommer att se under de kommande fyra eller fem åren, " sa Gary. "Under de närmaste åren, vi kommer att fokusera våra ansträngningar på att förbättra de aktiva solfläcksregionerna och fulldiskbilder med arrayen. Denna avbildning i en större rumslig skala är mer utmanande, men kan vara lika viktigt, eftersom de större särdragen styr solens inflytande på jordens atmosfär och solvinden."