Finn opphavet til Solens kvervlande gassfingrar

Ei datasimulering som tok eit år å køyra kan forklara dei ti millionane til sola fingrar av gass.

Soloverflaten med gassfingrar som stikk opp på kanten av sola

På soloverflata kvervlar det til alle tidspunkt opp til ti millionar gassfingrar. Sjå film lenger ned i saka. Bilete: NASA/IRIS

Institutt for teoretisk astrofysikk har eit av dei sterkaste solfysikkmiljøa i verda, har administrerande direktør ved Norsk romsenter, Bo Andersen, tidlegare sagt. I vår fekk forskningruppen status som senter for framifrå forsking, Rosseland Centre for Solar Physics (RoCS). Fleire av solforskarane frå Oslo-miljøet er no aktuelle med ein ny artikkel publisert i prestisjetidsskriftet Science. Artikkelen vart publisert 23. juni 2017.

Ti millionar fingrar

Soloverflata er langt frå ein stille og roleg stad. Så mange som 10 millionar ulike jetstraumar av solgass riv seg laus frå soloverflata kvar einaste augneblink. Straumane riv seg fri frå overflata med hastigheiter på 400 000 kilometer i timen, og kan strekkja seg ut i heile 10 000 kilometers lengd før dei kollapsar igjen. Dette er fingrane til sola av gass (på engelsk spicules). Trass det enorme talet av dei, har forskarar enno ikkje forstått korleis dei blir danna. No har ei datasimulering gitt ei forklaring.

Filmen viser gassfingrar over kanten av sola, observert med romteleskopet IRIS. Så mange som 10 millionar slike jetstraumar finst til kvar tid på heile soloverflata. Fingrane blir ekstra tydelege når me ser dei lysa opp på kanten av sola, med det mørke verdsrommet som bakgrunn. Gassfingrane har hastigheiter på 100 km per sekund og kan strekka over 10 000 km opp over soloverflata. Film: NASA/IRIS.

Den nye datasimuleringa var så detaljert at det tok eit år å køyra ho. Simuleringa viser korleis gassfingrane kan dannast, og hjelper forskarane forstå korleis fingrane klarer å riva seg fri frå soloverflata.

Kvar kjem fingrane til sola frå?

Gassfingrane blir danna i grensesjiktet, som er området mellom dei nedre og øvre atmosfærelaga på Solen.

Forskarane har brukt observasjonar frå NASAs romteleskop Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS), som i desse dagar feirar fireårsdag i rommet og det bakkebaserte svenske 1-meter solteleskopet på La Palma. Saman kan desse instrumenta undersøkja det mystiske grensesjiktet der gassfingrane blir danna.

Filmen viser gassfingrane til sola på og nær kanten av sola. Desse observasjonane  er eit resultat av å samkøyra det svenske solteleskopet (SST) på La Palma og satellitten IRIS. Begge ser på det same området på sola. I SST-observasjonane ser me dei kjøligare delane av gassfingrane, her som mørke linjer som skyt opp frå overflata. IRIS-observasjonane viser dei varmare delane av gassfingrane, som er spesielt klare over solkanten med det mørke verdsrommet som bakgrunn. Dei nye datasimuleringane hjelper oss med å forstå korleis gassfingrane blir danna og korleis dei blir varma opp frå dei relativt kjølige temperaturane me ser med SST til dei varmare me ser med IRIS. Film: SST (til venstre), NASA/IRIS (til høgre).

 
Bart de Pontieu
Bart de Ponteiu var årets Rosselandforeleser på Realfagsbiblioteket i 2016, med foredraget «Living with Our nearest Star». Foto: ITA.

– Numeriske modellar og observasjonar går hand i hand i denne forskinga, seier Bart De Pontieu, som er vitskapleg leiar for IRIS-satellitten og professor II ved Institutt for teoretisk astrofysikk. – Me samanliknar observasjonar og modellar for å sjå kor godt modellane fungerer, og for å forbetra modellane der me ser avvik mellom observasjonar og modell.

Noko mangla i modellane

Å observera gassfingrane til sola har vore eit problem for forskarar som vil forstå korleis gass og energi på sola bevegar seg opp og bort frå sola. Gassfingrane er flyktige, dei blir danna og forsvinn igjen på så kort tid som 10 minutt. Dette gjer at strukturane er vanskelege å studera frå jorda, fordi jordatmosfæren forstyrrar observasjonar som forandrar seg så fort.

– Sidan me har brukt mange år på å forbetra observasjonsteknikkane våre, har me klart å beskriva gassfingrane til sola svært godt, seier professor Luc Rouppe van der Voort, som leidde dei koordinerte observasjonane frå romteleskopet og frå det bakkebaserte teleskopet. – Men datamodellane hadde inntil nyleg problem med å reprodusera desse observasjonane.

Ei gruppe forskarar har jobba med denne modellen i nesten ti år. Igjen og igjen har dei prøvd å laga ein versjon av modellen som kan klara å produsera gassfingrane.

Tidlege modellar behandla grensesjiktet som ein varm gass av elektrisk lada partiklar. Forskarane visste at noko mangla i modellane deira, fordi modellane ikkje klarte å laga desse fingrane.

Ikkje gløym dei nøytrale

Det viste seg at nøkkelen var dei nøytrale partiklane på sola. Forskarane var her inspirert av jordas eigen ionosfære, som er eit område i jordas øvre atmosfære der samspelet mellom nøytrale og lada partiklar er ansvarleg for mange dynamiske prosessar.

Forskarane visste at i grensesjiktet på sola er det relativt kjølig, dermed er ikkje alle partiklane i gassen elektrisk lada. Nokre av partiklane er nøytrale, og nøytrale partiklar blir ikkje tvinga til å følgja det magnetiske feltet slik som dei lada partiklane må. Å ta med dei nøytrale partiklane i datasimuleringane viste seg å bruka lang køyringstid på datamaskinene. Den siste modellen tok omtrent eit år å køyra på NASAs superdatamaskin Pleiades i Silicon Valley.

Modellen starta med korleis varm, ionisert gass bevegar seg i solatmosfæren. Gassen inni sola koker, noko som fører til at det blir danna knutar av magnetiske feltlinjer som er vikla inn i kvarandre. Når desse magnetfeltknutane kjem opp til overflata av sola og inn i dei nedre delane av solatmosfæren, sprett feltlinjene tilbake på plass. Det er eit veldig sprett, som frigir store mengder gass og energi. Gjennom denne prosessen blir gassfingrane fødde. Men det å forklara korleis dei komplekse magnetiske knutane spratt tilbake, det var den vanskelege oppgåva.

Filmen viser datamodellen som simulerer ein stor del av solatmosfæren. Rekkjevidda til simuleringa er frå under soloverflata og opp til 12 000 km over overflata. Nedste del: Gasstettleiken i ein simulert atmosfære med ulike fargar for ulik tettleik: raudt viser dei tette områda under soloverflata, blå og lilla dei tynne områda høgt over overflata. Øvste del: Temperaturen i den simulerte atmosfæren. Dei kjølige delane av atmosfæren er blå og lilla nær overflata (omtrent 10 000 grader), medan den øvre atmosfæren er svært varm, meir enn ein million grader. Me ser mange gassfingrar i atmosfæren som kjølige, tette straumar som bevegar seg opp og ned. Dette er første gong ein datamodell har klart å produsera slike strøymande fingrar av gass som passar så godt med observasjonane. Samspelet mellom lada og nøytrale partiklar viste seg å vera essensielt for å danna gassfingrane i modellen.

 

Solfysikar Juan Martínez-Sykora er førsteforfattar på artikkelen. Han tok sin ph.d. ved Institutt for teoretisk astrofysikk og har jobba i fleire år med solfysikkgruppa i Oslo. Han leidde den delen av arbeidet som dreidde seg om å utvikla modellen til å inkludera også dei nøytrale partiklane.

– Vanlegvis er magnetfelta sterkt kopla til dei lada partiklane, forklarer han. – Då me berre inkluderte dei lada partiklane i modellen, vart magnetfelta fastlåste. Me klarte ikkje å få dei til å stiga opp over soloverflata. Då me la til dei nøytrale partiklane, kunne magnetfeltet bevega seg friare.

Dei nøytrale partiklane gav den oppdrifta magnetknutane trong til å komma seg gjennom den kokande gassen og opp i solatmosfæren. Med denne nye modellen passar simuleringane endeleg med observasjonane. Gassfingrane blomstra opp naturleg og ofte – også i modellen.

Korleis samanlikna teori og observasjon

For å samanlikna observasjonar av sola med datamodellane, må ein først berekna kva lysspekter som datamodellen av atmosfæren gir opphav til. Deretter samanliknar ein det berekna lysspekteret med det spekteret ein faktisk observerer.

– For å berekna dei simulerte lysspekterne må me simulera vegen til fotona gjennom datamodellen, og ta omsyn til kva som skjer med fotona på atomnivå, fortel Tiago Pereira, ein forskar ved Instiutt for teoretisk astrofysikk, som har jobba med desse berekningane.

– Dette er ein komplisert prosess som krev mykje datakraft, fortel Pereira.

Prisar undervegs

Dei siste arbeidet i ti åra som har gått med til å utvikla den avanserte datamodellen, har mellom anna gjort at professorane Mats Carlsson og Viggo Hansteen frå Institutt for teoretisk astrofysikk i vår fekk delt ut Arctowksi-medaljen frå National Academy of Sciences. Carlsson og Hansteen er to av medforfattarane på den nye artikkelen i Science.

– Denne modellen gir svar på ein god del spørsmål me har hatt i mange år, seier De Pontieu. Me har gradvis auka kompleksiteten i modellen basert på observasjonar av svært høg kvalitet.

– Dette er ei suksesshistorie for denne tilnærmingsmåten, avsluttar han.

 

Basert på NASAs pressemelding

 

Publisert 22. juni 2017 20:10 - Sist endret 8. feb. 2024 10:10