Solens yta är en lysande visning av solfläckar och flammor som drivs av solens magnetfält, som genereras internt genom en process som kallas dynamoverkan. Astrofysiker har antagit att solens fält genereras djupt inne i stjärnan. Men en MIT-studie visar att solens aktivitet kan formas av en mycket grundare process.
I en tidning som visas i Nature , forskare vid MIT, University of Edinburgh och på andra håll finner att solens magnetfält kan uppstå från instabiliteter i solens yttersta lager.
Teamet skapade en exakt modell av solens yta och fann att när de simulerade vissa störningar, eller förändringar i flödet av plasma (joniserad gas) inom de översta 5–10 % av solen, var dessa ytförändringar tillräckligt för att generera realistisk magnetisk fältmönster, med liknande egenskaper som astronomer har observerat på solen. Däremot producerade deras simuleringar i djupare lager mindre realistisk solaktivitet.
Resultaten tyder på att solfläckar och flammor kan vara en produkt av ett grunt magnetfält, snarare än ett fält som har sitt ursprung djupare i solen, som forskare till stor del hade antagit.
"De egenskaper vi ser när vi tittar på solen, som korona som många människor såg under den senaste solförmörkelsen, solfläckar och solutbrott, är alla förknippade med solens magnetfält", säger studieförfattaren Keaton Burns, en forskare i MIT:s institution för matematik.
"Vi visar att isolerade störningar nära solens yta, långt från de djupare lagren, kan växa över tiden för att potentiellt producera de magnetiska strukturer vi ser."
Om solens magnetfält faktiskt uppstår från dess yttersta lager kan detta ge forskare en bättre chans att förutsäga flammor och geomagnetiska stormar som har potential att skada satelliter och telekommunikationssystem.
"Vi vet att dynamo fungerar som en gigantisk klocka med många komplexa interagerande delar", säger medförfattaren Geoffrey Vasil, forskare vid University of Edinburgh. "Men vi vet inte många av delarna eller hur de passar ihop. Den här nya idén om hur soldynamon startar är avgörande för att förstå och förutsäga det."
Studiens medförfattare inkluderar även Daniel Lecoanet och Kyle Augustson från Northwestern University, Jeffrey Oishi från Bates College, Benjamin Brown och Keith Julien från University of Colorado i Boulder och Nicholas Brummell från University of California i Santa Cruz.
Solen är en glödhet plasmaklot som kokar på dess yta. Denna kokande region kallas "konvektionszonen", där lager och plymer av plasma rullar och flyter. Konvektionszonen omfattar den översta tredjedelen av solens radie och sträcker sig cirka 200 000 kilometer under ytan.
"En av de grundläggande idéerna för hur man startar en dynamo är att du behöver en region där det finns mycket plasma som rör sig förbi annan plasma, och att skjuvrörelse omvandlar kinetisk energi till magnetisk energi," förklarar Burns. "Folk hade trott att solens magnetfält skapas av rörelserna längst ner i konvektionszonen."
För att fastställa exakt var solens magnetfält har sitt ursprung har andra forskare använt stora tredimensionella simuleringar för att försöka lösa plasmaflödet genom de många lagren i solens inre. "De här simuleringarna kräver miljontals timmar på nationella superdatoranläggningar, men det de producerar är fortfarande inte i närheten av så turbulent som den faktiska solen", säger Burns.
Istället för att simulera det komplexa flödet av plasma genom hela solens kropp, undrade Burns och hans kollegor om det kunde vara tillräckligt att studera stabiliteten hos plasmaflödet nära ytan för att förklara ursprunget till dynamoprocessen.
För att utforska denna idé använde teamet först data från området "helioseismologi", där forskare använder observerade vibrationer på solens yta för att bestämma den genomsnittliga strukturen och flödet av plasma under ytan.
"Om du tar en video av en trumma och tittar på hur den vibrerar i slow motion, kan du räkna ut trumskinnets form och styvhet från vibrationslägena", säger Burns. "På liknande sätt kan vi använda vibrationer som vi ser på solytan för att sluta oss till den genomsnittliga strukturen på insidan."
För sin nya studie samlade forskarna modeller av solens struktur från helioseismiska observationer. "Dessa genomsnittliga flöden ser ut som en lök, med olika lager av plasma som roterar förbi varandra," förklarar Burns. "Då frågar vi:Finns det störningar, eller små förändringar i plasmaflödet, som vi kan lägga ovanpå denna genomsnittliga struktur, som kan växa och orsaka solens magnetfält?"
För att leta efter sådana mönster använde teamet Dedalus Project – ett numeriskt ramverk som Burns utvecklat som kan simulera många typer av vätskeflöden med hög precision. Koden har tillämpats på ett brett spektrum av problem, från modellering av dynamiken inuti individuella celler, till oceaner och atmosfäriska cirkulationer.
"Mina medarbetare har funderat på solmagnetismproblemet i flera år, och Dedalus kapacitet har nu nått den punkt där vi skulle kunna ta itu med det", säger Burns.
Teamet utvecklade algoritmer som de inkorporerade i Dedalus för att hitta självförstärkande förändringar i solens genomsnittliga ytflöden. Algoritmen upptäckte nya mönster som kunde växa och resultera i realistisk solaktivitet. I synnerhet hittade teamet mönster som matchar platserna och tidsskalorna för solfläckar som har observerats av astronomer sedan Galileo 1612.
Solfläckar är övergående egenskaper på solens yta som tros formas av solens magnetfält. Dessa relativt svalare områden uppträder som mörka fläckar i förhållande till resten av solens glödheta yta. Astronomer har länge observerat att solfläckar förekommer i ett cykliskt mönster, som växer och avtar vart elva år och i allmänhet dras runt ekvatorn snarare än nära polerna.
I teamets simuleringar fann de att vissa förändringar i plasmaflödet, inom bara de översta 5–10% av solens ytskikt, var tillräckligt för att generera magnetiska strukturer i samma regioner. Däremot producerar förändringar i djupare lager mindre realistiska solfält som är koncentrerade nära polerna, snarare än nära ekvatorn.
Teamet var motiverat att titta närmare på flödesmönster nära ytan eftersom förhållandena där liknade de instabila plasmaflödena i helt andra system:ansamlingsskivorna runt svarta hål. Accretionskivor är massiva skivor av gas och stjärndamm som roterar in mot ett svart hål, drivna av "magnetorotationsinstabiliteten", som genererar turbulens i flödet och får det att falla inåt.
Burns och hans kollegor misstänkte att ett liknande fenomen är på gång i solen, och att magnetrotationsinstabiliteten i solens yttersta skikt kan vara det första steget för att generera solens magnetfält.
"Jag tror att det här resultatet kan vara kontroversiellt", säger han. "Största delen av samhället har fokuserat på att hitta dynamoverkan djupt i solen. Nu visar vi att det finns en annan mekanism som verkar vara en bättre matchning med observationer."
Burns säger att teamet fortsätter att studera om de nya ytfältsmönstren kan generera individuella solfläckar och hela 11-åriga solcykeln.
