En ny studie ger det första direkta beviset som visar var partikelacceleration i nära ljushastighet inträffar inuti den största explosionen som är känd i solsystemet, solflammen. Kredit:Sijie Yu från NJIT/CSTR; NOAA GOES-16/SUVI
Solflammor är bland de mest våldsamma explosionerna i vårt solsystem, men trots deras enorma energi – motsvarande hundra miljarder atombomber som detonerar på en gång – har fysiker fortfarande inte kunnat svara exakt hur dessa plötsliga utbrott på solen kan skjuta upp partiklar till jorden, nästan 93 miljoner miles bort, på under en timme.
Nu, i en studie publicerad 8 juni i Nature , har forskare vid New Jersey Institute of Technology (NJIT) fastställt den exakta platsen där laddade partiklar av solflossar accelereras till nästan ljushastighet.
De nya fynden, som möjliggjordes genom observationer av ett solutbrott av X-klass 2017 av NJIT:s Expanded Owens Valley Solar Array (EOVSA) radioteleskop, har avslöjat en mycket effektiv partikelaccelerator placerad vid spetsen av den ljusaste punkten av utbrottet i utbrottet. solens yttre atmosfär, kallad flares "cusp-region", där explosionens omgivande plasma omvandlas till högenergielektroner.
Forskare säger att upptäckten av regionen, mätt till nästan dubbelt så stor volym som jorden, kan öppna nya dörrar för att undersöka grundläggande processer för partikelacceleration som finns överallt i universum.
"Fynden i den här studien hjälper till att förklara det långvariga mysteriet om hur solflammor kan producera så mycket energi på bara några sekunder", säger Gregory Fleishman, motsvarande författare till artikeln och framstående forskningsprofessor i fysik vid NJIT:s Center for Solar-Terrestrial Research . "Blossen släpper lös sin kraft i ett mycket större område av solen än vad som förväntas av den klassiska modellen av solflammor. Även om andra har postulerat att detta måste hända, är detta första gången den specifika storleken, formen och platsen för denna nyckelregion har har identifierats, och effektiviteten av energiomvandlingen till partikelacceleration inuti fakkeln har mätts."
Upptäckten följer separata studier från 2020 publicerade i Science och Naturastronomi , där EOVSA:s detaljerade ögonblicksbilder av blossen och förändringar i solens magnetfält – tagna på hundratals radiofrekvenser samtidigt – gav NJIT-teamet en ledning om platsen.
"Våra senaste studier antydde att flare cusp kan vara platsen där sådana högenergielektroner produceras, men vi var inte säkra", förklarade Bin Chen, NJIT-docent och medförfattare till tidningen. "Vi hade ursprungligen upptäckt en magnetisk flaskliknande struktur på platsen som innehöll ett överväldigande stort antal elektroner jämfört med någon annanstans i blossen, men nu med de nya mätningarna av denna studie kan vi med större säkerhet säga att detta är blossens partikel gaspedalen."
Med hjälp av EOVSA:s unika mikrovågsavbildningsfunktioner kunde teamet mäta energispektrumet för elektroner på hundratals platser i en X-klass solfloss utlöst av en omkonfigurering av magnetfältslinjer längs solens yta den 10 september 2017.
"EOVSA:s spektralavbildning gav oss en omfattande karta över blossens termiska plasma när den utvecklades sekund för sekund. Men till vår förvåning var det vi hittade ett mystiskt hål i termisk plasmakarta som började utvecklas vid blossens spets", säger Gelu Nita, forskningsprofessor i NJIT och medförfattare till artikeln. "Mer än så, när termiska partiklar i regionen försvann, fylldes hålet tätt med icke-termiska högenergipartiklar."
Teamets analys visade på en otroligt effektiv energiomvandlingsprocess i solflammens partikelaccelerator, där intensiv energi från solens magnetfält snabbt frigörs och överförs till kinetisk energi inuti regionen.
"Vi undrade hur effektiv denna energiomvandlingsprocess skulle vara ... hur många partiklar i det här området skulle accelereras bortom explosionens termiska energi?" tillade Sijie Yu, studiemedförfattare och NJIT biträdande forskningsprofessor. "Med hjälp av extrema ultravioletta data från solen bekräftade vi att praktiskt taget inga partiklar fanns kvar inne i regionen vid termiska energier under några miljoner Kelvin, i överensstämmelse med EOVSA-mätningen att partiklarna alla hade accelererats till icke-termiska energier större än 20 keV, eller nästan 100 miljoner Kelvin."
Teamet säger nu att dessa senaste rön kan hjälpa forskare att studera grundläggande frågor inom partikelfysik som inte är möjliga på jorden, samt erbjuda nya insikter om hur sådana högenergipartiklar från solen kan påverka jorden under framtida rymdväderhändelser.
"En viktig aspekt av den här studien är att den riktar teoretikers uppmärksamhet till den exakta platsen där det mesta av energifrisättningen och partikelaccelerationen sker, och ger kvantitativa mätningar för att vägleda numeriska modeller", säger Dale Gary, NJIT framstående professor och direktör för EOVSA. "However, to extend our measurements to much broader flare regions and weaker but more frequent flare events, we are developing a next-generation, solar-dedicated radio array called the Frequency Agile Solar Radiotelescope, which will be at least 10 times larger and orders of magnitude more powerful."
"We still want to investigate the physical mechanism driving particle acceleration in solar flares. But future studies must account for what we now know about these enormous explosions—both the main energy release at the cusp region and the 100% efficiency at which charged particle acceleration occurs," said Fleishman. "These findings call for a major revision to the models we use to study solar flares and their impact on Earth." + Utforska vidare
