I en studie publicerad i Natur astronomi , ett internationellt team av forskare har presenterat en ny, detaljerad titt inuti den "centrala motorn" av en stor solfloss åtföljd av ett kraftfullt utbrott som först fångades den 10 september, 2017 av Owens Valley Solar Array (EOVSA) - en solradioteleskopanläggning som drivs av New Jersey Institute of Technologys (NJIT) Center for Solar-Terrestrial Research (CSTR).

De nya rönen, baserat på EOVSA:s observationer av händelsen vid mikrovågsvåglängder, erbjuda de första mätningarna som karakteriserar magnetfälten och partiklarna i hjärtat av explosionen. Resultaten har avslöjat en enorm elektrisk ström "plåt" som sträcker sig mer än 40, 000 kilometer genom kärnans utvidgningsområde där motsatta magnetfältslinjer närmar sig varandra, bryta och återansluta, genererar den intensiva energin som driver blossen.

I synnerhet, lagets mätningar indikerar också en magnetisk flaskliknande struktur placerad på toppen av blossens ögleformade bas (känd som flare arcade) på en höjd av nästan 20, 000 kilometer över solens yta. Strukturen, teamet föreslår, är troligen den primära platsen där blossens högenergiska elektroner fångas och accelereras till nästan ljusets hastighet.

Forskare säger att studiens nya insikt i den centrala motorn som driver så kraftfulla utbrott kan hjälpa framtida rymdväderförutsägelser för potentiellt katastrofala energiutsläpp från solflammor - solsystemets mest kraftfulla explosioner, kan allvarligt störa teknologier på jorden såsom satellitoperationer, GPS-navigering och kommunikationssystem, bland många andra.

"Ett av huvudmålen med denna forskning är att bättre förstå den grundläggande fysiken för solutbrott, sa Bin Chen, tidningens huvudförfattare och professor i fysik vid NJIT. "Det har länge föreslagits att det plötsliga frigörandet av magnetisk energi genom återanslutningsströmarket är ansvarigt för dessa stora utbrott, men det har inte gjorts någon mätning av dess magnetiska egenskaper. Med den här studien har vi äntligen mätt detaljerna i magnetfältet i ett aktuellt ark för första gången, ger oss en ny förståelse av den centrala motorn i solens stora flammor."

"Platsen där all energi lagras och frigörs i solflammor har varit osynlig fram till nu... För att spela på en term från kosmologi, det är solens mörka energiproblem, ' och tidigare har vi varit tvungna att indirekt dra slutsatsen att blossens magnetiska återkopplingsark existerade, sa Dale Gary, EOVSA-direktör på NJIT och medförfattare till tidningen. "EOVSA:s bilder gjorda vid många mikrovågsfrekvenser visade att vi kan fånga radioemissioner för att belysa denna viktiga region. När vi väl hade dessa data, och analysverktygen skapade av medförfattarna Gregory Fleishman och Gelu Nita, vi kunde börja analysera strålningen för att möjliggöra dessa mätningar."

Tidigare i år i tidningen Vetenskap , teamet rapporterade att det äntligen kunde tillhandahålla kvantitativa mätningar av den utvecklande magnetiska fältstyrkan direkt efter blossens antändning.

Fortsätter sin undersökning, teamets senaste analys kombinerade numeriska simuleringar utförda vid Center for Astrophysics | Harvard &Smithsonian (CfA) med EOVSA:s spektralavbildningsobservationer och multivåglängdsdata – som sträcker sig över radiovågor till röntgenstrålar – insamlade från solflammen i storleken X8.2. Utblossningen är den näst största som har inträffat från den senaste 11-åriga solcykeln, inträffade med en snabb coronal mass ejection (CME) som drev en storskalig chock i den övre solkoronan.

Bland studiens överraskningar, forskarna fann att den uppmätta profilen för det magnetiska fältet längs blossens nuvarande ark har nära matchade förutsägelser från lagets numeriska simuleringar, som baserades på en välkänd teoretisk modell för att förklara solflammens fysik, föreslog först på 1990-talet med en analytisk form.

"Det förvånade oss att den uppmätta magnetfältsprofilen för det aktuella arket vackert matchade den teoretiska förutsägelsen som gjordes för decennier sedan, " sa Chen.

"Kraften i solens magnetfält spelar en nyckelroll för att accelerera plasma under ett utbrott. Vår modell användes för att beräkna fysiken för de magnetiska krafterna under detta utbrott, som visar sig som ett mycket vridet "rep" av magnetfältlinjer, eller magnetiskt flödesrep, " förklarade Kathy Reeves, astrofysiker vid CfA och medförfattare till studien. "Det är anmärkningsvärt att denna komplicerade process kan fångas av en enkel analytisk modell, och att de förutsagda och uppmätta magnetfälten matchar så bra."

Simuleringarna, framförd av Chengcai Shen på CfA, utvecklades för att numeriskt lösa styrande ekvationer för att kvantifiera beteendet hos elektriskt ledande plasma genom hela blossens magnetfält. Genom att tillämpa en avancerad beräkningsteknik känd som "adaptiv nätförfining, "teamet kunde lösa det tunna återkopplingsströmarket och fånga dess detaljerade fysik på superfina rumsliga skalor till under 100 kilometer.

"Våra simuleringsresultat matchar både den teoretiska förutsägelsen om magnetfältskonfiguration under ett solutbrott och reproducerar en uppsättning observerbara egenskaper från denna speciella flare, inklusive magnetisk styrka och plasmainflöde/utflöde runt återanslutningsströmarket, " noterade Shen.

Chockerande mått

Teamets mätningar och matchande simuleringsresultat avslöjade att blossens nuvarande ark har ett elektriskt fält som producerar en chockerande 4, 000 volt per meter. Ett så starkt elektriskt fält finns över en 40, 000 kilometers region, större än längden på tre jordar placerade sida vid sida.

Analysen visade också att en enorm mängd magnetisk energi pumpades in i det aktuella arket med en uppskattad hastighet av 10-100 miljarder biljoner (10 ²² -10 ²³ ) joule per sekund – det vill säga mängden energi som bearbetas vid blossens motor, inom varje sekund, motsvarar den totala energi som frigörs vid explosionen av ungefär hundra tusen av de kraftigaste vätebomberna (50 megaton-klass) samtidigt.

"En sådan enorm energifrisättning vid det aktuella arket är häpnadsväckande. Det starka elektriska fältet som genereras där kan lätt accelerera elektronerna till relativistiska energier, men det oväntade faktum vi fann var att den elektriska fältprofilen i det aktuella arkområdet inte sammanföll med den rumsliga fördelningen av relativistiska elektroner som vi mätte, " sa Chen. "Med andra ord, något annat måste vara på gång för att accelerera eller omdirigera dessa elektroner. Vad våra data visade var en speciell plats längst ner på det aktuella arket - den magnetiska flaskan - verkar vara avgörande för att producera eller begränsa de relativistiska elektronerna."

"Medan det nuvarande arket verkar vara platsen där energin frigörs för att få bollen i rullning, det mesta av elektronaccelerationen verkar ske på denna andra plats, magnetflaskan. ... Liknande magnetflaskor är under utveckling för att innesluta och accelerera partiklar i vissa laboratoriefusionsreaktorer." tillade Gary. "Andra har föreslagit en sådan struktur i solflammor tidigare, men vi kan verkligen se det nu i siffrorna."

Ungefär 99 % av blossens relativistiska elektroner observerades samlas vid den magnetiska flaskan under hela den fem minuter långa emissionen.

Tills vidare, Chen säger att gruppen kommer att kunna tillämpa dessa nya mätningar som en jämförande baslinje för att studera andra solutbrottshändelser, samt utforska den exakta mekanismen som accelererar partiklar genom att kombinera de nya observationerna, numeriska simuleringar och avancerade teorier. På grund av EOVSA:s banbrytande kapacitet, NJIT valdes nyligen ut att delta i ett gemensamt NASA/NSF DRIVE Science Center Collaboration on Solar Flare Energy Release (SolFER).

"Vårt mål är att utveckla en fullständig förståelse för solflammor, från deras initiering tills de slutligen sprutar ut partiklar med hög energi i solvinden, och slutligen, in i jordens rymdmiljö, sa Jim Drake, professor i fysik vid University of Maryland och huvudutredare för SolFER som inte var involverad i denna studie. "Dessa första observationer tyder redan på att relativistiska elektroner kan fångas i en stor magnetisk flaska som produceras när magnetfälten i koronan "återansluter" för att frigöra sin energi... EOVSA-observationerna kommer att fortsätta hjälpa oss att reda ut hur magnetfältet driver dessa energiska elektroner."

"En ytterligare undersökning av den magnetiska flaskans roll i partikelacceleration och transport kommer att kräva mer avancerad modellering för att jämföra med EOVSA:s observationer, ", sa Chen. "Det finns verkligen stora möjligheter där ute för oss att studera som tar upp dessa grundläggande frågor."