• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Solens närbild avslöjar atmosfären som hoppar med mycket energirika partiklar

    På sina första två förbiflygningar av solen, det Princeton-ledda instrumentet IS?IS ombord på Parker Solar Probe upptäckte en överraskande mängd aktiviteter av solenergipartiklar - de blixtlåsande elektronerna, protoner och andra joner som flyger ut före solvinden -- som kan störa rymdresor och kommunikationer på jorden. Observationerna är bara början på undersökningar av hur dessa partikelhändelser bildas, fynd som kommer att belysa bredare frågor om solen, rymdväder och kosmiska strålar. Ett av de största hoten från solen - mot astronauter och satelliterna som tillhandahåller GPS-kartor, mobiltelefontjänst och tillgång till internet -- är högenergipartiklar som bryter ut från solen i skurar. Överst:Den 17 november, 2018, den 321:a dagen det året, Parker Solar Probes IS?IS observerade en explosion av högenergiprotoner, var och en med mer än 1 miljon elektronvolt energi. De varmare färgerna (gul, orange, röd) representerar en ökning av antalet av dessa högenergipartiklar som träffar IS?IS-sensorerna. Nederst:En konstnärs representation av en av dessa energiska partikelhändelser. Kredit:Jamey Szalay och David McComas; Anpassad med tillstånd från D.J. McComas et al., Natur 575:7785 (2019)

    Utbrott av energiska partiklar som susar ut från solen och kan störa rymdkommunikationen kan vara ännu mer varierande och talrika än man tidigare trott, enligt resultat från solens närmaste förbiflygning någonsin.

    De nya rönen, som hjälper oss att förstå solens aktivitet och i slutändan kan ge en tidig varning för solstormar, kommer från en av de fyra instrumentsviterna ombord på NASA:s Parker Solar Probe, en rymdfarkost som har genomfört sina första pass nära den brinnande klotet. Resultat från alla fyra sviter visas idag i en uppsättning artiklar publicerade i tidskriften Natur .

    Upptäckten att dessa energiska partikelhändelser är mer varierande och talrika än tidigare känt var en av flera upptäckter som gjorts av instrumentsviten känd som Integrated Science Investigation of the Sun (ISOIS), ett projekt som leds av Princeton University som involverar flera institutioner såväl som NASA.

    "Denna studie markerar en viktig milstolpe med mänsklighetens spaning av miljön nära solen, sa David McComas, huvudutredaren för ISOIS-instrumentsviten, en Princeton-professor i astrofysiska vetenskaper och vicepresident för Princeton Plasma Physics Laboratory. "Det ger de första direkta observationerna av den energiska partikelmiljön i regionen precis ovanför solens övre atmosfär, koronan.

    "Att se dessa observationer har varit ett kontinuerligt 'eureka-ögonblick, "" sa McComas. "När vi får ny data från rymdfarkosten, vi bevittnar något som ingen någonsin har sett förut. Det är ungefär hur bra som helst!"

    ISOIS försöker ta reda på hur partiklarna rör sig så snabbt, och vad som driver dem att accelerera. Forskarna som söker efter dessa svar inkluderar ISOIS-teammedlemmar vid California Institute of Technology (Caltech), John Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL), NASA Goddard Space Flight Center, NASA Jet Propulsion Laboratory, University of New Hampshire, Southwest Research Institute, University of Delaware och University of Arizona, samt medarbetare vid University of California-Berkeley, Imperial College London, University of Michigan, Smithsonian Astrophysical Observatory och National Centre for Scientific Research i Frankrike.

    Högenergetiska partiklar kan störa kommunikationer och satelliter för globala positioneringssystem (GPS). Dessa strömmar av partiklar, består huvudsakligen av protoner, har två källor. Den första är utanför vårt solsystem, genereras när exploderande stjärnor släpper strömmar av partiklar som kallas kosmiska strålar. Den andra är vår sol. Båda kan skada rymdfarkosternas elektriska system och är former av strålning som kan skada astronauternas hälsa.

    Dessa energirika partiklar flyger mycket snabbare än solvinden, vilket är det ungefär miljoner mil per timme flödet av het elektriskt laddad gas som piskar bort solen. Om solvinden var en bäck, de energirika partiklarna skulle vara fiskar som hoppar ut och hoppar före flödet. Partiklarna färdas längs vägar – kallade magnetiska flödesrör – som sträcker sig från koronan ut i solvinden.

    Under Parker Solar Probes första två omlopp, IS?IS har upptäckt många små energiska partikelhändelser, solutbrott under vilka hastigheten av partiklar som strömmar ut från solen ökade snabbt. På ISOIS, Epi-Lo instrumentet mäter partiklar i tiotusentals elektronvolt, medan Epi-Hi mäter partiklar med miljoner till hundratals miljoner elektronvolt. (Som referens, elen i ditt hus är 120 volt.) Här, data från banor 1 (vänster) och 2 (höger) visar IS?IS partikelräkningshastigheter överlagrade som färgremsor längs den svarta linjen som representerar banan för Parker Solar Probe. De lägre energinivåerna ("Lo") finns på insidan av banan, medan de högre energinivåerna ("Hi") löper utanför. Både storlek och färg motsvarar de uppmätta hastigheterna, så att stora röda staplar indikerar de största skurarna, när solen släppte ut flest partiklar på kort tid. Kredit:Jamey Szalay och David McComas; Anpassad med tillstånd från D.J. McComas et al., Natur 575:7785 (2019)

    Att förstå dessa partiklar kan förbättra rymdväderprognoserna och ge tidig varning för de massiva stormarna som kan störa jordisk kommunikation och rymdresor.

    "Svaret på frågor om hur energirika partiklar bildas och accelererar är otroligt viktigt, sa Ralph McNutt, som övervakade byggnaden av den lägre energin av svitens två instrument och är chefsforskare inom Space Exploration Sector vid APL. "Dessa partiklar påverkar våra aktiviteter på jorden och vår förmåga att få ut våra astronauter i rymden. Vi skapar historia med det här uppdraget."

    På grund av deras snabbhet, partiklarna fungerar som en tidig varningssignal för rymdväder, sa Jamey Szalay, en associerad forskare vid institutionen för astrofysiska vetenskaper i Princeton som leder datavisualiseringsinsatserna för ISOIS. "Dessa partiklar rör sig snabbt, så om det är en stor solstorm på väg, dessa partiklar är de första indikatorerna."

    De flesta tidigare studier av solenergipartiklar förlitade sig på detektorer placerade i rymden på ungefär samma avstånd från solen som jorden - 93 miljoner miles från solen. När partiklarna kommer till dessa detektorer, det är svårt att spåra var de kom ifrån, eftersom partiklarna från olika källor har interagerat och blandat sig.

    "Det är lite som bilar som kommer från trånga tunnlar och broar och sprider sig ut på mellanstatliga motorvägar, " sa McComas. "De blir snabbare när de flyttar bort, men de blir också blandade och interagerar på ett sätt som det är omöjligt att säga vem som kom ifrån var när du rör dig längre och längre bort från källorna."

    I sina första resor runt solen, Parker Solar Probe färdades dubbelt så nära solen som något tidigare rymdskepp någonsin har varit. Närmast, rymdfarkosten var 14 miljoner miles – eller 35 solradier, som är 17,5 bredder av solen — från den eldiga ytan.

    Att komma nära solen är viktigt för att reda ut hur dessa partiklar bildas och får hög energi, sa Eric Christian, biträdande huvudutredare på ISOIS och en senior forskare vid NASA Goddard. "Det är som att försöka mäta vad som händer i ett berg genom att studera bergets bas. Att veta vad som händer, du måste gå där handlingen är:Du måste gå upp på berget."

    En potentiell oro för forskarna var att solens 11-åriga aktivitetscykel för närvarande är låg. Men den låga aktivitetsnivån visade sig vara en fördel.

    Den övre panelen visar ett schema över en Coronal Mass Ejection (CME), under vilken en massa massa så stor som Lake Michigan kastas ut från solen. Dessa kan utgöra en fara för astronauter och rymdsatelliter, men ISOIS-forskare upptäckte att små energiska partiklar rusar framför den utstötta massan, ge förvarning om det inkommande hotet. Den nedre panelen visar protonflöden detekterade av IS?IS:s EPI-Lo (överst) och magnetfältsmätningarna (nederst) runt tiden för en observerad CME. De energirika partiklarna nådde Parker Solar Probe nästan ett dygn före den utstötta massan. Kredit:Jamey Szalay och David McComas; Anpassad med tillstånd från N.J. Fox et al, Space Science Reviews 204:7 (2016) och D.J. McComas et al., Nature 575:7785 (2019)

    "Det faktum att solen var tyst gjorde att vi kunde analysera händelser som är extremt isolerade, sa Nathan Schwadron, en professor i fysik och astronomi och chef för ISOIS science operation center vid University of New Hampshire. "Det här är händelser som inte har setts på längre håll eftersom de bara slocknade av solvindens aktivitet."

    Under sina två första omlopp, ISOIS observerade flera fascinerande fenomen. Den ena var en explosion av energisk partikelaktivitet som sammanföll med en koronal massutstötning, ett våldsamt utbrott av strömsatta och magnetiserade partiklar från koronan. Innan utkastningen, ISOIS upptäckte en ansamling av relativt lågenergipartiklar, medan det efter utstötningen fanns en uppbyggnad av högenergetiska partiklar. Dessa händelser var små och inte detekterbara från jordens omloppsbana.

    En annan observation från ISOIS var partikelaktivitet som indikerar en sorts solvindstrafikstockning, som händer när solvinden plötsligt saktar ner, orsakar snabbrörlig solvind att hopa sig bakom den och bilda ett komprimerat område av partiklar. Denna uppbyggnad, som astrofysiker kallar en samroterande interaktionsregion, inträffade utanför jordens omloppsbana och skickade högenergipartiklar tillbaka mot solen där de observerades av ISOIS.

    Forskare är angelägna om att förstå mekanismerna med vilka solen accelererar partiklar till höga hastigheter. ISOIS detektering av varje partikels identitet – oavsett om det är väte, helium, kol, syre, iron or another element—will help researchers further explore this question.

    "There are two kinds of acceleration mechanisms, one that occurs in solar flares when magnetic fields reconnect, and another that occurs when you get shocks and compressions of the solar wind, but the details of how they cause particle acceleration are not that well understood, " said Mark Wiedenbeck, a principal scientist at NASA's Jet Propulsion Laboratory, who oversaw the development of the higher energy instrument in the ISOIS suite. "The composition of the particles is a key diagnostic to tell us the acceleration mechanism."

    ISOIS made its third brush by the sun on Sept. 1, and will make its next on Jan. 29, 2020. As the mission continues, the satellite will make a total of 24 orbits, each time getting closer to the solar surface, until it is roughly five sun-widths from the star. The researchers hope that future flybys will reveal insights into the source of the energetic particles. Do they start as "seed particles" that go on to attain higher energies?

    Jamie Sue Rankin, a postdoctoral researcher at Princeton working in the McComas group, began working on the higher energy ISOIS instrument as a graduate student at Caltech.

    "It has been neat to see this whole process develop over the past decade, " Rankin said. "It is like surfing a wave:We built these instruments, made sure they were working, made adjustments to make sure the calibrations were right—and now comes the exciting part, answering the questions that we set out to address.

    "With any spacecraft, when you go out into space, you think you know what to expect, but there are always wonderful surprises that complicate our lives in the best way, " she said. "That is what keeps us doing what we do."


    © Vetenskap http://sv.scienceaq.com