Sonneneruptionen gehören zu den heftigsten Explosionen in unserem Sonnensystem, aber trotz ihrer immensen Energie – die der Detonation von hundert Milliarden Atombomben auf einmal entspricht – konnten Physiker immer noch nicht genau beantworten, wie diese plötzlichen Eruptionen auf der Sonne in der Lage sind Partikel in weniger als einer Stunde auf die fast 150 Millionen Kilometer entfernte Erde schießen.
Nun, in einer am 8. Juni veröffentlichten Studie Naturhaben Forscher des New Jersey Institute of Technology (NJIT) die genaue Stelle bestimmt, an der geladene Teilchen von Sonneneruptionen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden.
Die neuen Erkenntnisse, die durch Beobachtungen einer Sonneneruption der X-Klasse im Jahr 2017 durch das Radioteleskop Expanded Owens Valley Solar Array (EOVSA) des NJIT ermöglicht wurden, haben einen hocheffizienten Teilchenbeschleuniger enthüllt, der sich an der Spitze des hellsten Punkts des Ausbruchs befindet der äußeren Atmosphäre der Sonne, die als „Spitzenregion“ der Flare bezeichnet wird, wo das umgebende Plasma der Explosion in hochenergetische Elektronen umgewandelt wird.
Forscher sagen, dass die Entdeckung der Region, die fast doppelt so groß ist wie das Erdvolumen, neue Türen für die Untersuchung grundlegender Prozesse der im Universum allgegenwärtigen Teilchenbeschleunigung öffnen könnte.
„Die Ergebnisse dieser Studie helfen, das seit langem bestehende Rätsel zu erklären, wie Sonneneruptionen in nur wenigen Sekunden so viel Energie erzeugen können“, sagte Gregory Fleishman, korrespondierender Autor des Papiers und angesehener Forschungsprofessor für Physik am Center for Solar-Terrestrial Research des NJIT . „Die Eruption entfesselt ihre Kraft in einer viel größeren Region der Sonne als vom klassischen Modell der Sonneneruptionen erwartet. Obwohl andere postuliert haben, dass dies passieren muss, ist dies das erste Mal, dass die spezifische Größe, Form und Lage dieser Schlüsselregion so ist identifiziert, und die Effizienz der Energieumwandlung in Teilchenbeschleunigung innerhalb der Fackel wurde gemessen.“
Die Entdeckung folgt separaten Studien aus dem Jahr 2020, die in veröffentlicht wurden Wissenschaft und Naturastronomiewo EOVSAs detaillierte Schnappschüsse der Flare und Änderungen des Magnetfelds der Sonne – aufgenommen mit Hunderten von Radiofrequenzen gleichzeitig – dem NJIT-Team zunächst einen Hinweis auf den Standort gaben.
„Unsere jüngsten Studien deuteten darauf hin, dass die Flare-Spitze der Ort sein könnte, an dem solche hochenergetischen Elektronen produziert werden, aber wir waren uns nicht sicher“, erklärte Bin Chen, außerordentlicher Professor am NJIT und Mitautor der Veröffentlichung. „Wir hatten ursprünglich eine magnetische flaschenähnliche Struktur an der Stelle entdeckt, die im Vergleich zu anderen Orten in der Flare eine überwältigend große Anzahl von Elektronen enthielt, aber jetzt mit den neuen Messungen dieser Studie können wir mit größerer Sicherheit sagen, dass dies das Partikel der Flare ist Beschleuniger.“
Film einer Sonneneruption – supereffiziente Elektronenbeschleunigung in einem makroskopischen Volumen über der Flare-Arkade. Der rechte Rahmen zeigt die Eruption im extremen Ultraviolett (gelb) am 10. September 2017 und den Ort, an dem die meisten dieser beschleunigten Elektronen nachgewiesen wurden (blau). Der linke Rahmen zeigt die Verteilungen der thermischen (rot) und beschleunigten (blau) Elektronen, die aus den Mikrowellendaten abgeleitet wurden, was zeigt, dass fast alle thermischen Elektronen in einem großen „Spitzen“-Bereich über der Flare-Arkade (gekennzeichnet durch weiße Konturen) auf der Karte verschwunden sind da sie auf ein Vielfaches ihrer ursprünglichen thermischen Energie beschleunigt wurden. Bildnachweis: NJIT/CSTR; NASA-SDO/AIA.
Unter Verwendung der einzigartigen Mikrowellen-Bildgebungsfähigkeiten von EOVSA war das Team in der Lage, das Energiespektrum von Elektronen an Hunderten von Orten einer Sonneneruption der Klasse X zu messen, die am 10. September 2017 durch eine Neukonfiguration von Magnetfeldlinien entlang der Sonnenoberfläche ausgelöst wurde.
„Die spektrale Bildgebung von EOVSA lieferte uns eine umfassende Karte des thermischen Plasmas der Flare, während es sich Sekunde für Sekunde entwickelte. Aber zu unserer Überraschung fanden wir ein mysteriöses Loch in der thermischen Plasmakarte, das sich an der Spitze der Flare zu entwickeln begann“, sagte Gelu Nita, NJIT-Forschungsprofessorin und Co-Autorin des Artikels. „Darüber hinaus wurde das Loch, als die thermischen Partikel in der Region verschwanden, dicht mit nicht-thermischen, hochenergetischen Partikeln gefüllt.“
Die Analyse des Teams brachte einen unglaublich effizienten Energieumwandlungsprozess innerhalb des Teilchenbeschleunigers der Sonneneruption ans Licht, bei dem intensive Energie aus den Magnetfeldern der Sonne schnell freigesetzt und in kinetische Energie innerhalb der Region umgewandelt wird.
„Wir haben uns gefragt, wie effizient dieser Energieumwandlungsprozess wäre … wie viele Partikel in diesem Bereich würden über die thermische Energie der Explosion hinaus beschleunigt werden?“ fügte Sijie Yu hinzu, Co-Autorin der Studie und NJIT-Assistenzforschungsprofessorin. „Anhand von Extrem-Ultraviolett-Daten der Sonne haben wir bestätigt, dass bei thermischen Energien unter einigen Millionen Kelvin praktisch keine Partikel in der Region verblieben sind, was mit der EOVSA-Messung übereinstimmt, dass die Partikel alle auf nicht-thermische Energien von mehr als 20 keV beschleunigt worden waren. oder fast 100 Millionen Kelvin.“
Das Team sagt nun, dass diese neuesten Erkenntnisse Wissenschaftlern helfen könnten, grundlegende Fragen der Teilchenphysik zu untersuchen, die auf der Erde nicht möglich sind, und neue Erkenntnisse darüber bieten, wie solche hochenergetischen Teilchen von der Sonne die Erde bei zukünftigen Weltraumwetterereignissen beeinflussen könnten.
„Ein wichtiger Aspekt dieser Studie ist, dass sie die Aufmerksamkeit der Theoretiker auf den genauen Ort lenkt, an dem die meiste Energiefreisetzung und Teilchenbeschleunigung stattfindet, und quantitative Messungen liefert, um numerische Modelle zu leiten“, sagt Dale Gary, ausgezeichneter Professor und Direktor des NJIT EOVSA. „Um unsere Messungen jedoch auf viel breitere Flare-Regionen und schwächere, aber häufigere Flare-Ereignisse auszudehnen, entwickeln wir ein Solar-Radio-Array der nächsten Generation namens Frequency Agile Solar Radiotelescope, das mindestens 10-mal größer und größer sein wird um Größenordnungen mächtiger.“
„Wir wollen immer noch den physikalischen Mechanismus untersuchen, der die Teilchenbeschleunigung in Sonneneruptionen antreibt. Aber zukünftige Studien müssen berücksichtigen, was wir jetzt über diese enormen Explosionen wissen – sowohl die Hauptenergiefreisetzung in der Spitzenregion als auch die 100-prozentige Effizienz, bei der geladene Teilchen beschleunigt werden auftritt“, sagte Fleishman. „Diese Ergebnisse erfordern eine umfassende Überarbeitung der Modelle, mit denen wir Sonneneruptionen und ihre Auswirkungen auf die Erde untersuchen.“
Gregory Fleishman, Sonneneruption beschleunigt fast alle Elektronen in einem großen koronalen Volumen, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04728-8
Gregory D. Fleishman et al., Zerfall des koronalen Magnetfelds kann genügend Energie freisetzen, um eine Sonneneruption anzutreiben, Wissenschaft (2020). DOI: 10.1126/science.aax6874
Bin Chen et al, Messung von Magnetfeld und relativistischen Elektronen entlang einer Sonneneruptions-Stromschicht, Naturastronomie (2020). DOI: 10.1038/s41550-020-1147-7