Kombinera datorobservationer och simuleringar, en ny modell visar att närvaron av neutraler i gasen underlättar magnetfälten att tränga igenom solens yta och producera spikulerna. I den här studien, ledd av en astrofysiker som studerade vid universitetet i La Laguna, deltog i det svenska solteleskopet vid Roque de los Muchachos -observatoriet i La Palma.

När som helst, hela 10 miljoner vilda ormar av solmaterial hoppar från solens yta. Det här är spicules, och trots deras överflöd, forskare förstod inte hur dessa plasmastrålar bildades och inte heller påverkade de uppvärmningen av de yttre skikten i solens atmosfär eller solvinden. Nu, för första gången, i en studie som delvis finansierats av NASA, forskare har modellerat spiculebildning. För första gången, ett vetenskapligt team har avslöjat deras natur genom att kombinera simuleringar och bilder tagna med NASA:s IRIS -spektrograf och det svenska solteleskopet vid Roque de los Muchachos -observatoriet (Garafía, La Palma). Studien, ledd av Dr Juan Martinez-Sykora, forskare vid Lockheed Martins Solar and Astrophysics Laboratory (Kalifornien) och astrofysiker vid University of La Laguna (ULL), publiceras idag i tidningen Vetenskap .

Observationerna gjordes med IRIS (NASA's Interface Region Imaging Spectrograph), ett 20 cm ultraviolett rymdteleskop med ett spektrograf som kan observera detaljer på cirka 240 km, och det svenska solteleskopet, ligger vid Roque de los Muchachos -observatoriet. Detta rymdskepp och det markbaserade teleskopet studerar de nedre skikten i solatmosfären, där spikulerna bildas:kromosfär och övergångsregionen

Förutom bilderna, de använde datasimuleringar vars kod utvecklades i nästan ett decennium. "I vår forskning, "säger prof. Bart De Pontieu, också författare till studien, "båda går hand i hand." Vi jämför observationer och modeller för att ta reda på hur bra våra modeller presterar, liksom hur vi ska tolka våra rymdbaserade observationer. "

Deras modell bygger på dynamiken i plasma - den heta gasen av laddade partiklar som strömmar längs magnetfält och utgör solen. Tidigare versioner av modellen behandlade gränssnittsregionen som en enhetlig, eller helt laddad, plasma, men forskarna visste att något saknades eftersom de aldrig såg spiklar i simuleringarna.

Modellen de genererade är baserad på plasmadynamik, en mycket het delvis joniserad gas som strömmar längs magnetfälten. Tidigare versioner ansåg att den lägre atmosfären var en enhetlig eller fulladdad plasma, men de misstänkte att något saknades eftersom de aldrig upptäckte toppar i simuleringarna.

Nyckeln, forskarna insåg, var neutrala partiklar. De inspirerades av jordens egen jonosfär, ett område i den övre atmosfären där interaktioner mellan neutrala och laddade partiklar är ansvariga för många dynamiska processer. I svalare områden i solen, t.ex. gränssnittsregionen, plasma är faktiskt inte enhetligt. Vissa partiklar är fortfarande neutrala, och neutrala partiklar är inte utsatta för magnetfält som laddade partiklar är. Forskare baserade tidigare modeller på en enhetlig plasma för att förenkla problemet - modellering är beräknat dyrt, och den slutliga modellen tog ungefär ett år att köra med NASA:s superdatorresurser - men de insåg att neutrala partiklar är en nödvändig pusselbit.

"Vanligtvis är magnetfält tätt kopplade till laddade partiklar, "sa Juan Martínez-Sykora, huvudförfattare till studien och en solfysiker vid Lockheed Martin. "Med endast laddade partiklar i modellen, magnetfälten fastnade, och kunde inte stiga upp till ytan. När vi lade till neutrala, magnetfälten kunde röra sig mer fritt. "

Neutrala partiklar underlättar flytkraften som de marmorerade knutarna av magnetisk energi behöver stiga genom kokande plasma och nå ytan. Där, de snappar och producerar spicules, frigör både plasma och energi. Simuleringarna matchade nära observationerna; spicules förekom naturligt och ofta.

"Detta resultat är ett tydligt exempel på det genombrott som kan uppnås genom att kombinera kraftfulla teoretiskt-numeriska metoder, toppmoderna observationer och superdatorverktyg för att bättre förstå astrofysiska fenomen ", förklarar prof. Fernando Moreno-Insertis, solfysiker vid IAC, Professor är ULL och handledare för arbetet Diploma of Advanced Studies (DEA) av Juan Martínez-Sykora. "Den stora komplexiteten hos många av de fenomen som uppstår i solatmosfären tvingar oss att samtidigt överväga dynamiken i delvis joniserad gas, magnetfältet och strålnings-materia-interaktionen för att på ett tillfredsställande sätt kunna förklara dem ".

"Detta resultat är ett tydligt exempel på de genombrott som kan uppnås genom att kombinera kraftfulla teoretiskt-numeriska metoder, toppmoderna observationer och superdatorverktyg för att bättre förstå astrofysiska fenomen ", förklarar Fernando Moreno-Insertis, solfysiker vid IAC, Professor vid ULL och handledare för DEA-avhandlingen (motsvarande en magisteruppsats) av Juan Martínez-Sykora. "Den stora komplexiteten hos många av de fenomen som uppstår i solatmosfären tvingar oss att samtidigt överväga dynamiken i delvis joniserad gas, magnetfältet och strålnings-materia-interaktionen för att på ett tillfredsställande sätt kunna förklara dem ".

Forskarnas uppdaterade modell avslöjade också något om solenergitransport. Det visar sig att energin i denna piskliknande process är tillräckligt hög för att generera Alfvén-vågor, en stark slags vågforskare misstänker är nyckeln till att värma solens atmosfär och driva solvinden, som ständigt badar solsystemet med laddade partiklar från solen.

National Academy of Sciences tilldelade prof. Mats Carlsson och prof. Viggo H. Hansteen, både utvecklare av modellen och författare till studien, med Arctowski-medaljen 2017 som ett erkännande av deras bidrag till studier av solfysik och sol-jordförbindelsen. Juan Martínez-Sykora inkluderade effekterna av närvaron av de neutrala partiklarna.