Rozbłyski słoneczne są jednymi z najbardziej gwałtownych eksplozji w naszym Układzie Słonecznym, ale pomimo ich ogromnej energii - odpowiednik stu miliardów bomb atomowych detonujących jednocześnie - fizycy nadal nie byli w stanie odpowiedzieć dokładnie, jak te nagłe wybuchy na Słońcu są w stanie uruchomić cząstki do Ziemi, prawie 93 miliony mil od nas, w mniej niż godzinę.
Teraz, w pracy opublikowanej 8 czerwca w Nature, naukowcy z New Jersey Institute of Technology (NJIT) ustalili dokładne miejsce, w którym naładowane cząstki z rozbłysków słonecznych są przyspieszane do prędkości bliskiej prędkości światła.
Nowe odkrycia, możliwe dzięki obserwacjom rozbłysku słonecznego klasy X w 2017 r. przez radioteleskop NJIT's Expanded Owens Valley Solar Array (EOVSA), ujawniły wysoce wydajny akcelerator cząstek znajdujący się na końcu najjaśniejszego punktu erupcji w zewnętrznej atmosferze Słońca, zwanego "regionem cusp" rozbłysku, gdzie plazma otaczająca eksplozję jest przekształcana w wysokoenergetyczne elektrony.
Naukowcy twierdzą, że odkrycie tego regionu, którego objętość jest prawie dwa razy większa od objętości Ziemi, może otworzyć nowe możliwości badania fundamentalnych procesów przyspieszania cząstek wszechobecnych we wszechświecie.
"Wyniki tego badania pomagają wyjaśnić długoletnią tajemnicę, jak rozbłyski słoneczne mogą produkować tak dużo energii w ciągu zaledwie kilku sekund" - powiedział Gregory Fleishman, autor pracy i profesor fizyki w Centrum Badań Solarno-Terrestrialnych NJIT. "Rozbłysk uwalnia swoją moc w znacznie większym obszarze Słońca, niż przewiduje klasyczny model rozbłysków słonecznych. Chociaż inni postulowali, że tak musi się dziać, to po raz pierwszy udało się zidentyfikować konkretny rozmiar, kształt i położenie tego kluczowego regionu, a także zmierzyć wydajność konwersji energii na przyspieszenie cząstek wewnątrz rozbłysku."
Odkrycie jest następstwem oddzielnych badań z 2020 roku opublikowanych w Science i Nature Astronomy, w których szczegółowe ujęcia rozbłysku i zmian w polu magnetycznym Słońca wykonane przez EOVSA - wykonane na setkach częstotliwości radiowych jednocześnie - początkowo dały zespołowi NJIT przewagę co do lokalizacji.
"Nasze ostatnie badania sugerowały, że punkt kulminacyjny rozbłysku może być miejscem, w którym powstają wysokoenergetyczne elektrony, ale nie byliśmy tego pewni" - wyjaśnia Bin Chen, profesor nadzwyczajny NJIT i współautor pracy. "Pierwotnie odkryliśmy w tym miejscu strukturę przypominającą butelkę magnetyczną, która zawierała przytłaczająco dużą liczbę elektronów w porównaniu z innymi miejscami w rozbłysku, ale teraz, dzięki nowym pomiarom uzyskanym w tym badaniu, możemy z większą pewnością stwierdzić, że jest to akcelerator cząstek rozbłysku.
Wykorzystując unikalne możliwości obrazowania mikrofalowego EOVSA, zespół był w stanie zmierzyć widmo energetyczne elektronów w setkach miejsc rozbłysku słonecznego klasy X, wywołanego rekonfiguracją linii pola magnetycznego wzdłuż powierzchni Słońca 10 września 2017 roku.
"Obrazowanie spektralne EOVSA dało nam kompleksową mapę plazmy termicznej rozbłysku w miarę jej ewolucji sekunda po sekundzie. Ale ku naszemu zaskoczeniu, znaleźliśmy tajemniczą dziurę w mapie plazmy termicznej, która zaczęła się rozwijać w punkcie kulminacyjnym rozbłysku" - powiedział Gelu Nita, profesor NJIT i współautor pracy. "Co więcej, gdy cząstki termiczne w tym regionie zniknęły, dziura została gęsto wypełniona nietermicznymi cząstkami wysokoenergetycznymi".
Analiza przeprowadzona przez zespół ujawniła niezwykle wydajny proces konwersji energii w akceleratorze cząstek w rozbłysku słonecznym, gdzie intensywna energia z pól magnetycznych Słońca jest szybko uwalniana i przekazywana do energii kinetycznej wewnątrz regionu.
"Zastanawialiśmy się jak wydajny może być ten proces konwersji energii ... jak wiele cząstek w tym obszarze może zostać przyspieszonych ponad energię termiczną wybuchu?" dodał Sijie Yu, współautor badania i asystent profesora NJIT. "Używając danych Słońca w ekstremalnym ultrafiolecie, potwierdziliśmy, że praktycznie żadne cząstki nie pozostały w tym regionie przy energiach termicznych poniżej kilku milionów Kelwinów, co jest zgodne z pomiarami EOVSA, według których wszystkie cząstki zostały przyspieszone do energii nietermicznych większych niż 20 keV, czyli prawie 100 milionów Kelwinów".
Zespół twierdzi teraz, że te najnowsze odkrycia mogą pomóc naukowcom w badaniu fundamentalnych zagadnień fizyki cząstek, które nie są możliwe do osiągnięcia na Ziemi, a także oferują świeże spojrzenie na to, jak wysokoenergetyczne cząstki ze Słońca mogą wpływać na Ziemię podczas przyszłych zdarzeń pogodowych w kosmosie.
"Ważnym aspektem tego badania jest to, że kieruje ono uwagę teoretyków na dokładne miejsce, w którym dochodzi do największego uwolnienia energii i przyspieszenia cząstek, a także dostarcza ilościowych pomiarów, które mogą być wykorzystane w modelach numerycznych" - mówi Dale Gary, wybitny profesor NJIT i dyrektor EOVSA. "Jednak aby rozszerzyć zakres naszych pomiarów na znacznie szersze obszary rozbłysków oraz słabsze, ale częstsze rozbłyski, opracowujemy dedykowany dla Słońca radioteleskop nowej generacji o nazwie Frequency Agile Solar Radiotelescope, który będzie co najmniej 10 razy większy i o rzędy wielkości potężniejszy.
"Nadal chcemy zbadać fizyczny mechanizm przyspieszania cząstek w rozbłyskach słonecznych. Jednak przyszłe badania muszą uwzględniać to, co obecnie wiemy o tych ogromnych eksplozjach - zarówno główne uwalnianie energii w rejonie cusp, jak i 100% wydajność, z jaką zachodzi przyspieszanie naładowanych cząstek" - powiedział Fleishman. "Odkrycia te wymagają poważnej rewizji modeli, których używamy do badania rozbłysków słonecznych i ich wpływu na Ziemię".
Badania te były wspierane przez granty z National Science Foundation.
**Source
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz