Солнечные вспышки являются одними из самых сильных взрывов в нашей Солнечной системе, но, несмотря на их огромную энергию, эквивалентную сотне миллиардов атомных бомб, взорванных одновременно, физики до сих пор не могут точно ответить, как эти внезапные извержения на Солнце способны вызвать взрыв. запускать частицы на Землю, находящуюся на расстоянии почти 93 миллионов миль, менее чем за час.
Теперь, в исследовании, опубликованном 8 июня в журнале Nature, исследователи из Технологического института Нью-Джерси (NJIT) определили точное место, где заряженные частицы солнечной вспышки ускоряются до околосветовой скорости.
Новые результаты, которые стали возможны благодаря наблюдениям за солнечной вспышкой X-класса в 2017 году с помощью радиотелескопа Expanded Owens Valley Solar Array (EOVSA) NJIT, выявили высокоэффективный ускоритель частиц, расположенный на кончике самой яркой точки извержения в внешняя атмосфера Солнца, называемая «областью острого выступа» вспышки, где окружающая плазма взрыва преобразуется в высокоэнергетические электроны.
Исследователи говорят, что открытие области, размеры которой почти в два раза превышают объем Земли, может открыть новые двери для исследования фундаментальных процессов ускорения частиц, повсеместных во Вселенной.
«Результаты этого исследования помогают объяснить давнюю загадку того, как солнечные вспышки могут производить столько энергии за считанные секунды», — сказал Грегори Флейшман, корреспондент статьи и выдающийся профессор физики в Центре солнечно-земных исследований NJIT. . «Вспышка высвобождает свою энергию в гораздо более обширной области Солнца, чем предполагалось в классической модели солнечных вспышек. Хотя другие постулировали, что это должно произойти, впервые конкретный размер, форма и расположение этой ключевой области идентифицирована и измерена эффективность преобразования энергии в ускорение частиц внутри вспышки».
Открытие последовало за отдельными исследованиями 2020 года, опубликованными в журнале Science and Nature Astronomy, где подробные снимки вспышки и изменений магнитного поля Солнца, сделанные EOVSA, — сделанные одновременно на сотнях радиочастот — изначально дали команде NJIT преимущество в определении местоположения.
«Наши недавние исследования показали, что выступ вспышки может быть местом, где образуются такие высокоэнергетические электроны, но мы не были уверены», — объяснил Бин Чен, доцент NJIT и соавтор статьи. «Первоначально мы обнаружили в этом месте магнитную структуру, похожую на бутылку, которая содержала чрезвычайно большое количество электронов по сравнению с любым другим местом во вспышке, но теперь, с новыми измерениями этого исследования, мы можем с большей уверенностью сказать, что это частица вспышки. ускоритель.»
Используя уникальные возможности микроволновой визуализации EOVSA, команда смогла измерить энергетический спектр электронов в сотнях мест солнечной вспышки X-класса, вызванной реконфигурацией силовых линий вдоль поверхности Солнца 10 сентября 2017 года.
«Спектральные изображения EOVSA дали нам исчерпывающую карту тепловой плазмы вспышки, по мере того, как она развивалась каждую секунду. Но, к нашему удивлению, мы обнаружили таинственную дыру в карте тепловой плазмы, которая начала развиваться на пике вспышки», — сказал он. Гелу Нита, профессор-исследователь NJIT и соавтор статьи. «Более того, когда тепловые частицы в этом районе исчезли, дыра была плотно заполнена нетепловыми высокоэнергетическими частицами».
Анализ группы выявил невероятно эффективный процесс преобразования энергии в ускорителе частиц солнечной вспышки, где интенсивная энергия магнитных полей Солнца быстро высвобождается и преобразуется в кинетическую энергию внутри региона.
«Нам было интересно, насколько эффективным будет этот процесс преобразования энергии… сколько частиц в этой области будет ускорено сверх тепловой энергии взрыва?» добавил Сиджи Ю, соавтор исследования и доцент NJIT. «Используя данные о солнечном экстремальном ультрафиолете, мы подтвердили, что внутри региона практически не осталось частиц с тепловыми энергиями ниже нескольких миллионов кельвинов, что согласуется с измерениями EOVSA, согласно которым все частицы были ускорены до нетепловых энергий более 20 кэВ. или почти 100 миллионов кельвинов».
Теперь команда говорит, что эти последние результаты могут помочь ученым изучить фундаментальные вопросы физики элементарных частиц, невозможные на Земле, а также дать свежий взгляд на то, как такие высокоэнергетические солнечные частицы могут воздействовать на Землю во время будущих космических погодных явлений.
«Важным аспектом этого исследования является то, что оно направляет внимание теоретиков на точное место, где происходит большая часть выделения энергии и ускорения частиц, и предоставляет количественные измерения для руководства численными моделями», — говорит Дейл Гэри, заслуженный профессор NJIT и директор исследовательского центра. ЭОВСА. «Однако, чтобы расширить наши измерения для более широких областей вспышек и более слабых, но более частых вспышек , мы разрабатываем специальную солнечную радиосистему нового поколения, называемую частотно-адаптивным солнечным радиотелескопом, которая будет как минимум в 10 раз больше и порядка на порядок мощнее».
«Мы все еще хотим исследовать физический механизм, вызывающий ускорение частиц в солнечных вспышках. Но будущие исследования должны учитывать то, что мы сейчас знаем об этих огромных взрывах — как основное выделение энергии в области каспа, так и 100-процентную эффективность ускорения заряженных частиц. происходит», — сказал Флейшман. «Эти результаты требуют серьезного пересмотра моделей, которые мы используем для изучения солнечных вспышек и их воздействия на Землю».
