Vid varje givet ögonblick, så många som 10 miljoner vilda strålar av solmaterial sprack från solens yta. De bryter ut så snabbt som 60 miles per sekund, och kan nå längder på 6, 000 mil innan den kollapsade. Dessa är spicules, och trots deras gräsliknande överflöd, forskare förstod inte hur de bildas. Nu, för första gången, en datorsimulering – så detaljerad att det tog ett helt år att köra – visar hur spikler bildas, hjälper forskare att förstå hur spicules kan bryta sig loss från solens yta och stiga uppåt så snabbt.

Detta arbete förlitade sig på observationer med hög kadens från NASA:s Interface Region Imaging Spectrograph, eller IRIS, och det svenska 1-meters solteleskopet i La Palma, på Kanarieöarna. Tillsammans, rymdfarkosten och teleskopet tittar in i de lägre lagren av solens atmosfär, känd som gränssnittsregionen, där spikler bildas. Resultaten av denna NASA-finansierade studie publicerades i Vetenskap den 22 juni, 2017 – en speciell tid på året för IRIS-uppdraget, som firar sitt fyraårsjubileum i rymden den 26 juni.

"Numeriska modeller och observationer går hand i hand i vår forskning, sade Bart De Pontieu, en författare till studien och IRIS vetenskapsledare vid Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory, i Palo Alto, Kalifornien. "Vi jämför observationer och modeller för att ta reda på hur bra våra modeller presterar, och att förbättra modellerna när vi ser stora avvikelser."

Att observera spicules har varit ett besvärligt problem för forskare som vill förstå hur solmaterial och energi rör sig genom och bort från solen. Spikuler är övergående, bildas och kollapsar under loppet av bara fem till 10 minuter. Dessa tunna strukturer är också svåra att studera från jorden, där atmosfären ofta suddar ut våra teleskops syn.

Ett team av forskare har arbetat med denna modell i nästan ett decennium, försöker om och om igen att skapa en version som skulle skapa spicules. Tidigare versioner av modellen behandlade gränssnittsregionen, den lägre solatmosfären, som en het gas av elektriskt laddade partiklar – eller mer tekniskt, ett helt joniserat plasma. Men forskarna visste att något saknades eftersom de aldrig såg spikler i simuleringarna.

Nyckeln, forskarna insåg, var neutrala partiklar. De var inspirerade av jordens egen jonosfär, en region i den övre atmosfären där interaktioner mellan neutrala och laddade partiklar är ansvariga för många dynamiska processer.

Forskargruppen visste att i kallare områden av solen, såsom gränssnittsregionen, inte alla gaspartiklar är elektriskt laddade. Vissa partiklar är neutrala, och neutrala partiklar är inte föremål för magnetiska fält som laddade partiklar är. Forskare hade baserat tidigare modeller på en helt joniserad plasma för att förenkla problemet. Verkligen, inklusive de nödvändiga neutrala partiklarna var mycket beräkningsmässigt dyrt, och den slutliga modellen tog ungefär ett år att köra på Pleiades superdator som ligger vid NASAs Ames Research Center i Silicon Valley, och som stöder hundratals vetenskaps- och ingenjörsprojekt för NASA-uppdrag.

Modellen började med en grundläggande förståelse för hur plasma rör sig i solens atmosfär. konstant konvektion, eller kokande, av material i hela solen genererar öar av trassliga magnetfält. När de kokar för dem upp till ytan och längre in i solens lägre atmosfär, magnetfältslinjer snäpper snabbt tillbaka på plats för att lösa upp spänningen, utvisar plasma och energi. Ur detta våld, en spikel föds. Men att förklara hur dessa komplexa magnetiska knutar reser sig och knäpper var den knepiga delen.

"Vanligtvis är magnetiska fält tätt kopplade till laddade partiklar, sa Juan Martínez-Sykora, huvudförfattare till studien och en solfysiker vid Lockheed Martin och Bay Area Environmental Research Institute i Sonoma, Kalifornien. "Med bara laddade partiklar i modellen, magnetfälten satt fast, och kunde inte stiga bortom solens yta. När vi lade till neutrala magnetfälten kunde röra sig mer fritt."

Neutrala partiklar ger den flytkraft som de knotiga knutarna av magnetisk energi behöver för att stiga upp genom solens kokande plasma och nå kromosfären. Där, de knäpper ihop i spicules, frigör både plasma och energi. Friktion mellan joner och neutrala partiklar värmer plasman ännu mer, både i och runt spiklarna.

With the new model, the simulations at last matched observations from IRIS and the Swedish Solar Telescope; spicules occurred naturally and frequently. The 10 years of work that went into developing this numerical model earned scientists Mats Carlsson and Viggo H. Hansteen, both authors of the study from the University of Oslo in Norway, the 2017 Arctowski Medal from the National Academy of Sciences. Martínez-Sykora led the expansion of the model to include the effects of neutral particles.

The scientists' updated model revealed something else about how energy moves in the solar atmosphere. It turns out this whip-like process also naturally generates Alfvén waves, a strong kind of magnetic wave scientists suspect is key to heating the sun's atmosphere and propelling the solar wind, which constantly bathes our solar system and planet with charged particles from the sun.

"This model answers a lot of questions we've had for so many years, " De Pontieu said. "We gradually increased the physical complexity of numerical models based on high-resolution observations, and it is really a success story for the approach we've taken with IRIS."

The simulations indicate spicules could play a big role in energizing the sun's atmosphere, by constantly forcing plasma out and generating so many Alfvén waves across the sun's entire surface.

"This is a major advance in our understanding of what processes can energize the solar atmosphere, and lays the foundation for investigations with even more detail to determine how big of a role spicules play, " said Adrian Daw, IRIS mission scientist at NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "A very nice result on the eve of our launch anniversary."