Forskarna simulerade solutbrott och den efterföljande accelerationen av laddade partiklar i solkoronan med toppmoderna superdatorsimuleringar. De fann att accelerationsmekanismen kräver specifika förhållanden i solvinden. Solvind är ett ständigt utflöde av laddade partiklar från solen.
När solens vindhastighet är mellan ungefär 500 och 650 kilometer (310 och 404 miles) per sekund och det finns stora områden på solen med starka magnetfält som sticker genom ytan, är förhållandena rätta för att accelerationsmekanismen ska börja fungera.
Forskarnas observationer kan leda till utvecklingen av nya rymdvädermodeller som förutsäger skadlig rymdstrålning med tillräcklig ledtid för att skydda astronauter som arbetar utanför jordens magnetiska sköld. Rymdstrålning är en stor hälsorisk för astronauter och utgör en betydande utmaning för mänskliga uppdrag till månen och Mars.
Forskargruppens resultat publicerades i tidskriften _Physical Review Letters_.
"När astronauter reser utanför jordens skyddande magnetosfär, utsätts de för höga nivåer av rymdstrålning", säger Dr. Vassilis Angelopoulos, alumni Distinguished Grundgraduate Professor vid Institutionen för fysik vid NC State och motsvarande författare till studien. "Mycket av denna strålning tar formen av högenergiska protoner. Men trots årtionden av forskning förstår vi fortfarande inte helt de fysiska mekanismerna som accelererar dessa protoner till så höga energier."
Astrofysiker tror att accelerationen sannolikt sker i solkoronan - solens yttre atmosfär - och att den måste ske i etapper eftersom ingen enskild process kan accelerera protonerna till energier som observeras nära jorden. Det rådande scenariot är att protonerna får en betydande mängd energi mycket nära solen genom återkoppling av magnetfältslinjer – en process som kallas magnetisk återkoppling – och accelereras sedan ytterligare av en ännu okänd mekanism någonstans i den inre heliosfären – området mellan solen och jorden.
Observationer visar att dessa energiska händelser verkar vara förknippade med solutbrott som involverar så kallade coronal mass ejections (CMEs). Men CME är också allestädes närvarande fenomen som händer hela tiden, men väldigt få av dem - bara cirka 1% - producerar farlig strålning.
"Detta visar att CMEs ensamma inte kan vara ansvariga för accelerationen," sa Angelopoulos. "Det måste finnas något mer; några specifika förhållanden som leder till initieringen av partikelaccelerationsprocessen."
Så, vad är dessa specifika villkor?
Forskargruppen utförde en omfattande serie fysikbaserade simuleringar med toppmoderna superdatormodeller av solutbrott, inklusive CME. De fann att accelerationen av högenergiprotonerna börjar när solvinden har ett specifikt hastighetsområde och det finns stora områden på solen med starka magnetfält som tränger igenom solytan.
"Solkoronan är full av magnetfält, och vi har länge misstänkt att magnetfält spelar en avgörande roll i accelerationsprocessen", säger Dr. Xiaowei Wang, tidigare postdoktor vid institutionen för fysik vid NC State och huvudförfattare till papperet. "Men magnetfält måste struktureras på precis rätt sätt - som en slinky helt utsträckt över solen. Våra numeriska simuleringar visar att när dessa förhållanden inträffar är scenen redo för generering av högenergiprotoner."
När sådana gynnsamma förhållanden råder kan magnetisk återkoppling bli mycket snabb. Detta kan i sin tur snabbt omstrukturera magnetfälten på ett sådant sätt att elektriska fält accelererar protonerna till höga energier.
Rymdvädermodeller kan potentiellt förutsäga förekomsten och ankomsttiderna för högenergiprotonhändelser på jorden om de kan ge information om solvindförhållanden och storskalig magnetfältstruktur på solen. Att utveckla rymdvädermodeller med denna förmåga är utmanande men genomförbart, och forskningen inom Angelopoulos grupp fortsätter i den riktningen.
