Zippa genom rymden nära ljusets hastighet, Solenergipartiklar, eller SEP, är en av de största utmaningarna för framtiden för mänsklig rymdfärd. Moln av dessa små solprojektiler kan ta sig till jorden - en resa på 93 miljoner mil - på mindre än en timme. De kan steka känslig rymdfarkostelektronik och utgöra allvarliga risker för mänskliga astronauter. Men deras början är utomordentligt svår att förutsäga, delvis för att vi fortfarande inte vet exakt var på solen de kommer ifrån.

En ny studie som spårar tre SEP-skurar tillbaka till solen har gett det första svaret.

"Vi har för första gången kunnat peka ut de specifika källorna till dessa energirika partiklar, sa Stephanie Yardley, rymdfysiker vid University College London och medförfattare till tidningen. "Att förstå källan regioner och fysiska processer som producerar SEPs kan leda till förbättrade prognoser av dessa händelser." Studieförfattarna David Brooks, rymdfysiker vid George Mason University i Washington, D.C., och Yardley publicerade sina resultat i Vetenskapens framsteg den 3 mars, 2021.

SEPs kan skjuta ut från solen i alla riktningar; att fånga en i det stora utrymmet är ingen liten bedrift. NASA:s Heliophysics System Observatory - en växande flotta av rymdfarkoster som studerar solen, strategiskt placerad i hela solsystemet – designades delvis för att öka chanserna för dessa lyckliga möten.

Forskare har delat in SEP-evenemang i två huvudtyper:impulsiva och gradvisa. Impulsiva SEP-händelser inträffar vanligtvis efter solflammor, de ljusa blixtarna på solen som produceras av plötsliga magnetiska utbrott.

"Det är en riktigt vass spik, och sedan ett exponentiellt förfall med tiden, sa Lynn Wilson, projektforskare för rymdfarkosten Wind vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

Gradvis SEP håller längre, ibland i dagar. De kommer i stora svärmar, vilket gör sprängningarna till en större risk för astronauter och satelliter. Gradvisa SEP:er skjuts fram bakifrån av koronala massutkastningar, eller CMEs – stora plymer av solmaterial som böljar genom rymden som en flodvåg. SEP:arna agerar som surfare, fångad av den vågen och drivs till otroliga hastigheter.

Det största mysteriet med gradvisa SEP är inte vad som påskyndar dem, men var de kommer ifrån i första hand. Av skäl som fortfarande inte är helt förstådda, SEP innehåller en annan blandning av partiklar än det andra solmaterialet som strömmar från solen i solvinden - mindre kol, svavel, och fosforjoner, till exempel. Vissa forskare misstänker att de är skurna från ett helt annat tyg, bildas i ett annat särdrag eller lager av solen än resten av solvinden.

För att ta reda på var SEP kommer ifrån, Brooks och Yardley spårade gradvisa SEP-händelser från januari 2014 tillbaka till deras ursprung på solen.

De började med NASA:s rymdfarkost Wind, som kretsar kring L1 Lagrange-punkten cirka 1 miljon miles närmare solen än vad vi är. Ett av Winds åtta instrument är Energetic Particles:Acceleration, Sammansättning, och transport, eller EPACT-instrument, som specialiserat sig på att upptäcka SEP. EPACT fångade tre starka SEP-sprängningar den 4 januari, 6:an och 8:an.

Vindens data visade att dessa SEP-händelser verkligen hade ett specifikt "fingeravtryck" - en annan blandning av partiklar än vad som vanligtvis finns i solvinden.

"Det finns ofta mindre svavel i SEP jämfört med solvinden, ibland mycket mindre" sa Brooks, huvudförfattare till tidningen. "Detta är ett unikt fingeravtryck av SEPs som gör att vi kan söka efter platser i solens atmosfär där svavel också saknas."

De vände sig till JAXA/NASA:s Sun-watching Hinode rymdfarkost, ett observatorium där Brooks har en kritisk operativ roll för NASA från Japan. Hinode tittade på Active Region 11944, ett ljust område med starkt magnetfält med en stor mörk solfläck synlig från jorden. AR 11944 hade producerat flera stora flare och CMEs i början av januari som släppte och accelererade SEPs Wind observerade.

Hinodes extrema ultravioletta avbildningsspektrometer, eller EIS-instrument, skannade den aktiva regionen, bryta ljuset i spektrallinjer som används för att identifiera specifika element. De letade efter platser i den aktiva regionen med ett matchande fingeravtryck, där den specifika blandningen av element stämde överens med vad de såg i Winds data.

"Denna typ av forskning är precis vad Hinode var designad för att bedriva, sa Sabrina Savage, den amerikanska projektforskaren för Hinode. "Komplex systemvetenskap kan inte göras i en bubbla med bara ett uppdrag."

Hinodes data avslöjade källan till SEP-händelserna – men det var inte vad varken Brooks eller Yardley förväntade sig.

I regel, solvinden kan fly lättare genom att hitta öppna magnetfältlinjer – fältlinjer förankrade till solen i ena änden men strömmar ut i rymden i den andra.

"Jag trodde verkligen att vi skulle hitta det vid kanterna av det aktiva området där magnetfältet redan är öppet och material kan fly direkt, " sa Brooks. "Men fingeravtrycket matchade bara i områden där magnetfältet fortfarande är stängt."

SEP:erna hade på något sätt brutit sig loss från starka magnetslingor kopplade till solen i båda ändar. Dessa slingor fångar material nära toppen av kromosfären, ett lager under där solflammor och koronala massutkastningar bryter ut.

"Människor har redan funderat på hur den skulle kunna ta sig ut från slutet fält - speciellt i samband med solvinden, " sa Brooks. "Men jag tror att det faktum att materialet hittades i kärnan av regionen, där magnetfälten är mycket starka, gör det svårare för dessa processer att fungera."

Det överraskande resultatet väcker nya frågor om hur SEP:er flyr solen, frågor mogna för framtida arbete. Fortfarande, Att peka ut en händelses källa är ett stort steg framåt.

"I vanliga fall, du måste sluta dig till den här typen av saker – du skulle säga, "Titta, vi såg en SEP och en solflamma, och SEP kom förmodligen från solflammen, sa Wilson, som inte var inblandad i studien. "Men detta är direkta bevis som binder dessa två fenomen samman."

Brooks och Yardley visar också ett sätt att använda NASAs växande Heliophysics System Observatory, genom att kombinera observationer av flera rymdskepp för att göra vetenskap som tidigare inte var möjlig.

"Det är ett sätt att tänka på alla rymdfarkoster som flyger som du kan använda för att göra en enda studie, " sa Wilson. "Det är som att ha ett gäng väderstationer - du börjar få en mycket bättre bild av vad vädret gör i större skala, och du kan aktivt börja försöka förutsäga det."

"Dessa författare har gjort ett anmärkningsvärt jobb genom att kombinera rätt datamängder och tillämpa dem på rätt frågor, "Säger Savage. "Sökningen efter ursprunget till potentiellt skadliga energipartiklar har minskat kritiskt tack vare denna ansträngning."