Forscher haben gerade das Standardmodell für Sonneneruptionen gebrochen

Die Sonne ist kein Feuerball. Es ist ein gigantischer, elektrisch geladener Kernreaktor, umgeben von einem launischen Plasmahalo, der gelegentlich einen Strahlungsstrahl in den Weltraum stößt. 1859 ein großer Strahlungsstrahl – Solar genanntFlare – schlug frontal auf die Erde ein. Damals gab es nicht viele Elektronikgeräte, aber die große Sonneneruption richtete Verwüstung im entstehenden Telegrafennetz der Welt an, schickte Funkenschauer von Telegrafenmaschinen, schockierte die Bediener und entfachte sogar Brände.

Jetzt, mehr als 160 Jahre später, ist unsere moderne Welt vollständig abhängig von vielen komplexen elektronischen Netzwerken – einschließlich anfälliger Satelliten – die durch einen weiteren direkten Treffer offline geschaltet werden könnten.

Überraschenderweise haben Forscher die Physik von Sonneneruptionen bis vor relativ kurzer Zeit nicht ganz verstanden. Dank neuer Forschungsergebnisse, die am Mittwoch veröffentlicht wurdenim Peer-Review-JournalNatur, das Gewaltphänomen rückt noch deutlicher in den Blick. Interessante Technik | wissenschaft-x.com setzte sich mit dem Physiker Gregory D. Fleishman, einem Co-Autor der neuen Veröffentlichung, zusammen, um über die Sonne, Sonneneruptionen und die Entdeckungen seines Teams zu sprechen.

Dieses Interview wurde aus Gründen der Länge und Klarheit bearbeitet.

Interessante Technik | wissenschaft-x.com: Wenn wir über die Sonne sprechen, konzentrieren wir uns oft auf den Prozess der Kernspaltung, der ihre Energie erzeugt, aber Sonneneruptionen treten in den äußeren Schichten auf. Wie lassen diese äußeren Schichten der Sonne Sonneneruptionen zu?

Gregory D. Fleishman: Wir sehen die Photosphäre – die Oberfläche der Sonne – die hell und heiß ist und [deren Emissionen] das Leben und alles um uns herum unterstützen. Das Besondere an der Sonne und anderen Sternen ist, dass sie magnetische Objekte sind.Das Magnetfeld macht einen großen Unterschied zwischen unserer gewöhnlichen Erfahrung auf der Erde und dem, was dort in der Sonne passiert, und insbesondere das Magnetfeld über der Photosphäre, das ist die Sonnenatmosphäre, Korona genannt, die Sie bei Sonnenfinsternissen sehen können.

IE: Was ist die Korona und welche physikalischen Prozesse finden dort statt?

Fleishman: Sie können die Korona während einer Sonnenfinsternis in weißem Licht sehen. Sie ist sehr kompliziert, dynamisch und aus unserer alltäglichen Perspektive ungewöhnlich. Das Magnetfeld ist stark mit Plasma – ionisiertem Gas – verbunden, und dies aufgrund verschiedener BewegungsformenPlasma und das Magnetfeld werden immer verworrener. In diesem Magnetfeld wird viel freie Energie angesammelt.

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Nach Erreichen einer bestimmten Schwelle oder eines Instabilitätszustands, wenn es nicht länger in einem stationären Zustand leben kann, treten einige Explosionen auf. Diese Explosionen sind im Grunde genommen Umwandlungen dieser freien magnetischen Energie – die die dominierende Energieform in der Sonnenkorona ist – in andereEnergieformen.

IE: Von welchen anderen Energieformen sprichst du?

Fleishman: Es gibt kinetische Energie – regelmäßige Bewegung – wie koronale Massenauswürfe, Strahlen und andere Phänomene. Eine andere Energieform ist die übliche Wärmeenergie. Erhöhte Temperaturen erhöhen mehr oder weniger die Antriebsenergie aller Teilchen.

Es gibt eine andere Energieform, bei der Teilchen nicht erhitzt, sondern auf viel, viel höhere Energien beschleunigt werden. Dies passiert normalerweise nicht um uns herum, außer in speziellen Beschleunigern.

IE: Bevor wir näher darauf eingehen, können Sie erklären, was freie magnetische Energie ist?

Fleishman: Denken Sie an einen normalen Magneten. Er erzeugt ein Magnetfeld um sich herum, außerhalb von sich selbst. Dieses Magnetfeld ist mit dem Magneten selbst verbunden. Sie können diese Energie also nicht nehmen und in etwas anderes umwandeln.

Das Magnetfeld im Plasma um die Sonne sind nicht nur gewöhnliche Feldlinien, wie wir sie aus der Mittel- oder Oberstufe kennen. Dies sind tatsächlich Flussröhren, die mit Plasma gefüllt sind. Sie sind auch mit elektrischen Strömen verbunden, undDiese elektrischen Ströme sind mit Energie verbunden. Wenn Sie diese Ströme stoppen, sinkt diese Energie.

Freie Energie ist also im Grunde die Energie, die von magnetischer Energie in andere Energieformen umgewandelt werden kann. Sie können nicht die gesamte magnetische Energie freisetzen, da die stationäre Komponente des Magnetfelds dort bleibt. Sie wird nicht freigesetzt, sie wirdaber die Energie, die über diesem stationären Zustand liegt, kann freigesetzt werden, wenn einige Bedingungen erfüllt sind.

IE: Wie wird die freie magnetische Energie in nichtthermische Teilchenbeschleunigung umgewandelt?

Fleishman: Das ist die grundlegende Frage: Wie passiert dieses Phänomen bei der Sonneneruption? Das Standard-Sonnenmodell – formuliert vor etwa 50 Jahren, mit einigen neueren Entwicklungen – postulierte, dass die Schlüsselregion, in der dies passieren könnte, die so-x-Punkt genannt, wo sich Magnetfelder schneiden.

Es ist viel einfacher, diese Energie hier freizusetzen, da die Zerfallsrate des Magnetfelds dort erhöht werden kann, wo [die Felder] sich schneiden. Das grundlegende Phänomen, das vorgeschlagen wurde, wird als magnetische Wiederverbindung bezeichnet. Im Grunde ist die Idee dahinter, wenn Sie es habenFeldlinien, die entgegengesetzt gerichtet sind und man sie in engen Kontakt bringt, können sie vernichten und Energie freisetzen.

IE: Aber Ihre Beobachtungen widersprechen dieser Ansicht, richtig? Was ist falsch an dem Standardmodell, das Sie gerade beschrieben haben?

Fleishman: Das Problem mit dieses Standardmodell ist, dass das Volumen um diesen x-Punkt – manchmal kann man es sich als eine Folie oder Schicht vorstellen, in der ähnliche Prozesse ablaufen – viel kleiner ist als nötig, um die Anzahl der beteiligten Teilchen zu erklären. Die Anzahl der Elektronen ist beispielsweiseist riesig: 10³⁵ Teilchen.

Um so viele Teilchen zu bekommen, braucht man ein riesiges Volumen. Man kann diese Energie nicht freisetzen und so viele Teilchen beschleunigen, wenn man einfach nicht so viele Teilchen in seinem Volumen hat. Eine der größten Herausforderungen war, dieses topologische Standardmodell in Einklang zu bringenmit der Notwendigkeit, eine wirklich hohe Beschleunigungseffizienz zu erklären.

IE: Wie sind Sie vorgegangen, um dieses Problem zu lösen?

Fleishman: Um diese Frage zu beantworten, brauchten wir Beobachtungswerkzeuge, um zu messen, wie viel magnetische Energie verfügbar ist, wie viel magnetische Energie pro Sekunde freigesetzt wird, wie viele Elektronen beschleunigt werden und wie viele Elektronen gerade erhitzt werden.

Eine revolutionäre Beobachtungstechnologie wurde kürzlich entwickelt, um diese grundlegenden Fragen zu beantworten: das Extended Owens Valley Solar Array. Es ist ein Mikrowelleninstrument, das aus vielen Antennen besteht, die es uns ermöglichen, gleichzeitig Messungen in vielen Frequenzen im Mikrowellenbereich mit hoher räumlicher Auflösung durchzuführen. Dadurch können wir kleine Standorte in der Sonne auflösen Corona-Mikrowellenspektren von jedem dieser Orte. Von jedem Pixel, wie wir sie nennen.

IE: Was genau betrachten Sie mit diesem hochauflösenden Instrument?

Fleishman: Die Mikrowellenemissionen, die wir messen, sind explizit empfindlich für das Magnetfeld, für thermisches Plasma und für nichtthermische Komponenten – genau dort, wo die Emission entsteht. Diese Emission entsteht genau dort, wo die Teilchen beschleunigt werden und wo dieEmission tritt aufgrund der Wechselwirkung zwischen Plasma und Magnetfeld auf.

Aus einer Analyse von speziell aufgelösten Mikrowellenspektren können wir physikalische Parameter in jedem Punkt ableiten. Wir haben sich entwickelnde Karten von Magnetfeldern, sich entwickelnde Karten von thermischem Plasma und sich entwickelnde Karten von nicht-thermischen Elektronen abgeleitet – Elektronen, die von thermisch zu hoch beschleunigt wurdenEnergien.

IE: Was sagen Ihnen diese Karten über das Innenleben von Sonneneruptionen?

Fleishman: Was wir bei diesen Karten entdeckt haben, ist zunächst einmal, dass das Magnetfeld in einem bestimmten Bereich zwischen der solaren Photosphäre und dem x-Punkt sehr stark abfällt. Dazwischen gibt es einen speziellen Bereich, in dem das Magnetfeld schnell abfällt undwo diese magnetische Energie freigesetzt wird. Dies war das Thema unserer früheren Arbeit.veröffentlicht in Wissenschaft Magazin 2020.

Aus dem gleichen Datensatz haben wir jetzt analysiert, was mit thermischen und nicht-thermischen Partikeln passiert. Was wir herausfanden, war, dass es in dem Bereich, in dem das Magnetfeld abklingt, überhaupt kein thermisches Plasma gibt. Da ist eine Lücke oder ein Lochthermischen Plasmaverteilung Diese Region – dieses Loch – wird von hochenergetischen nichtthermischen Elektronen gefüllt, die vermutlich aufgrund der Freisetzung magnetischer Energie. Es passiert am selben Ort, mit derselben Fläche und demselben Volumen.

IE: Nachdem Sie nun Zeit hatten, die Daten des Instruments gründlich zu analysieren, was können Sie uns über Sonneneruptionen sagen?

Fleishman: Wir haben diese Schlüsselteile des Puzzles gefunden: Wir haben festgestellt, wo diese Umwandlung von Energie freigesetzt wird. Wir haben den Zerfall von Magnetfeldern bestimmt, was die Freisetzung von magnetischer Energie bedeutet. Wir haben eine große Anzahl von nicht-thermischen beschleunigte Elektronen in der gleichen Region, im gleichen Gebiet. Und wir haben einen Mangel an thermischem Plasma festgestellt, was bedeutet, dass diese nicht-thermischen Partikel aus dem Thermalbecken entnommen und auf hohe Energie beschleunigt werden. Wir haben also ein vollständiges Bild von dem, was istim Herzen einer Sonneneruption vor sich geht.