Finner opphavet til Solens virvlende gassfingre

En datasimulering som tok et år å kjøre kan forklare solens ti millioner fingre av gass.

Soloverflaten med gassfingre som stikker opp på kanten av solen

På solens overflate virvler det til ethvert tidspunkt opp til ti millioner gassfingre. Se film lenger ned i saken. Bilde: NASA/IRIS

Institutt for teoretisk astrofysikk har et av de sterkeste solfysikkmiljøene i verden, har administrerende direktør ved Norsk Romsenter, Bo Andersen, tidligere sagt. I vår fikk forskningruppen status som senter for fremragende forskning, Rosseland Centre for Solar Physics (RoCS). Flere av solforskerne fra Oslo-miljøet er nå aktuelle med en ny artikkel publisert i prestisjetidsskriftet Science. Artikkelen ble publisert 23. juni 2017.

Ti millioner fingre

Soloverflaten er langt fra et stille og rolig sted. Så mange som 10 millioner ulike jetstrømmer av solgass river seg løs fra solens overflate hvert eneste øyeblikk. Strømmene river seg fri fra overflaten med hastigheter på 400 000 kilometer i timen, og kan strekke seg ut i hele 10 000 kilometers lengde før de kollapser igjen. Dette er solens fingre av gass (på engelsk spicules). Tross det enorme antallet av dem, har forskere hittil ikke forstått hvordan de dannes. Nå har en datasimulering gitt en forklaring.

Filmen viser gassfingre over kanten av solen, observert med romteleskopet IRIS. Så mange som 10 millioner slike jetstrømmer finnes til enhver tid på hele solens overflate. Fingrene blir ekstra tydelige når vi ser dem lyse opp på kanten av solen, med det mørke verdensrommet som bakgrunn. Gassfingrene har hastigheter på 100 km per sekund og kan strekke over 10 000 km opp over soloverflaten. Film: NASA/IRIS.

Last ned mediefil

Den nye datasimuleringen var så detaljert at det tok et år å kjøre den. Simuleringen viser hvordan gassfingrene kan dannes, og hjelper forskerne forstå hvordan fingrene klarer å rive seg fri fra solens overflate.

Hvor kommer solens fingre fra?

Gassfingrene dannes i grensesjiktet, som er området mellom de nedre og øvre atmosfærelagene på Solen.

Forskerne har brukt observasjoner fra NASAs romteleskop Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS), som i disse dager feirer fireårsdag i rommet og det bakkebaserte svenske 1-meter solteleskopet på La Palma. Sammen kan disse instrumentene undersøke det mystiske grensesjiktet der gassfingrene dannes.

Filmen viser solens gassfingre på og nær kanten av solen. Disse observasjonene  er et resultat av å samkjøre det svenske solteleskopet (SST) på La Palma og satellitten IRIS. Begge ser på det samme området på solen. I SST-observasjonene ser vi de kjøligere delene av gassfingrene, her som mørke linjer som skyter opp fra overflaten. IRIS-observasjonene viser de varmere delene av gassfingrene, som er spesielt klare over solkanten med det mørke verdensrommet som bakgrunn. De nye datasimuleringene hjelper oss med å forstå hvordan gassfingrene dannes og hvordan de varmes opp fra de relativt kjølige temperaturene vi ser med SST til de varmere vi ser med IRIS. Film: SST (til venstre), NASA/IRIS (til høyre).

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

– Numeriske modeller og observasjoner går hånd i hånd i denne forskningen, sier Bart De Pontieu, som er vitenskapelig leder for IRIS-satellitten og professor II ved Institutt for teoretisk astrofysikk. – Vi sammenligner observasjoner og modeller for å se hvor godt modellene fungerer, og for å forbedre modellene der vi ser avvik mellom observasjoner og modell.

Noe manglet i modellene

Å observere solens gassfingre har vært et problem for forskere som vil forstå hvordan gass og energi på solen beveger seg opp og bort fra solen. Gassfingrene er flyktige, de dannes og forsvinner igjen på så kort tid som 10 minutter. Dette gjør at strukturene er vanskelige å studere fra jorden, fordi jordens atmosfære forstyrrer observasjoner som forandrer seg så fort.

– Siden vi har brukt mange år på å forbedre observasjonsteknikkene våre, har vi klart å beskrive solens gassfingre svært godt, sier professor Luc Rouppe van der Voort, som ledet de koordinerte observasjonene fra romteleskopet og fra det bakkebaserte teleskopet. – Men datamodellene hadde inntil nylig problemer med å reprodusere disse observasjonene.

En gruppe forskere har jobbet med denne modellen i nesten ti år. Igjen og igjen har de forsøkt å lage en versjon av modellen som kan klare å produsere gassfingrene.

Tidlige modeller behandlet grensesjiktet som en varm gass av elektrisk ladete partikler. Forskerne visste at noe manglet i modellene deres, fordi modellene ikke klarte å lage disse fingrene.

Ikke glem de nøytrale

Det viste seg at nøkkelen var de nøytrale partiklene på solen. Forskerne var her inspirert av jordens egen ionosfære, som er et område i jordens øvre atmosfære der samspillet mellom nøytrale og ladete partikler er ansvarlig for mange dynamiske prosesser.

Forskerne visste at i grensesjiktet på solen er det relativt kjølig, dermed er ikke alle partiklene i gassen elektrisk ladet. Noen av partiklene er nøytrale, og nøytrale partikler blir ikke tvunget til å følge det magnetiske feltet slik som de ladete partiklene må. Å ta med de nøytrale partiklene i datasimuleringene viste seg å bruke lang kjøringstid på datamaskinene. Den siste modellen tok omtrent et år å kjøre på NASAs superdatamaskin Pleiades i Silicon Valley.

Modellen startet med hvordan varm, ionisert gass beveger seg i solens atmosfære. Gassen inni solen koker, noe som fører til at det dannes knuter av magnetiske feltlinjer som er viklet inn i hverandre. Når disse magnetfeltknutene kommer opp til overflaten av solen og inn i de nedre delene av solatmosfæren, spretter feltlinjene tilbake på plass. Det er et voldsomt sprett, som frigir store mengder gass og energi. Gjennom denne prosessen blir gassfingrene født. Men det å forklare hvordan de komplekse magnetiske knutene spratt tilbake, det var den vanskelige oppgaven.

Filmen viser datamodellen som simulerer en stor del av solens atmosfære. Simuleringens rekkevidde er fra under solens overflate og opp til 12 000 km over overflaten. Nederste del: Gasstettheten i en simulert atmosfære med ulike farger for ulik tetthet: rødt viser de tette områdene under soloverflaten, blå og lilla de tynne områdene høyt over overflaten. Øverste del: Temperaturen i den simulerte atmosfæren. De kjølige delene av atmosfæren er blå og lilla nær overflaten (omtrent 10 000 grader), mens den øvre atmosfæren er svært varm, mer enn en million grader. Vi ser mange gassfingre i atmosfæren som kjølige, tette strømmer som beveger seg opp og ned. Dette er første gang en datamodell har klart å produsere slike strømmende fingre av gass som passer så godt med observasjonene. Samspillet mellom ladete og nøytrale partikler viste seg å være essensielt for å danne gassfingrene i modellen.

 
Last ned mediefil

Solfysiker Juan Martínez-Sykora er førsteforfatter på artikkelen. Han tok sin ph.d. ved Institutt for teoretisk astrofysikk og har jobbet i flere år med solfysikkgruppen i Oslo. Han ledet den delen av arbeidet som dreide seg om å utvikle modellen til å inkludere også de nøytrale partiklene.

– Vanligvis er magnetfeltene sterkt koblet til de ladete partiklene, forklarer han. – Da vi bare inkluderte de ladete partiklene i modellen, ble magnetfeltene fastlåste. Vi klarte ikke å få dem til å stige opp over solens overflate. Da vi la til de nøytrale partiklene, kunne magnetfeltet bevege seg friere.

De nøytrale partiklene ga den oppdriften magnetknutene trengte til å komme seg gjennom den kokende gassen og opp i solens atmosfære. Med denne nye modellen passer simuleringene endelig med observasjonene. Gassfingrene blomstret opp naturlig og ofte – også i modellen.

Hvordan sammenligne teori og observasjon

For å sammenligne observasjoner av solen med datamodellene, må man først beregne hvilket lysspekter som datamodellen av atmosfæren gir opphav til. Deretter sammenligner man det beregnete lysspekteret med det spekteret man faktisk observerer.

– For å beregne de simulerte lysspekterne må vi simulere fotonenes vei gjennom datamodellen, og ta hensyn til hva som skjer med fotonene på atomnivå, forteller Tiago Pereira, en forsker ved Instiutt for teoretisk astrofysikk, som har jobbet med disse beregningene.

– Dette er en komplisert prosess som krever mye datakraft, forteller Pereira. 

Priser underveis

De siste ti årenes arbeid som har gått med til å utvikle den avanserte datamodellen, har blant annet gjort at professorene Mats Carlsson og Viggo Hansteen fra Institutt for teoretisk astrofysikk i vår fikk utdelt Arctowksi-medaljen fra National Academy of Sciences. Carlsson og Hansteen er to av medforfatterne på den nye artikkelen i Science.

– Denne modellen gir svar på en god del spørsmål vi har hatt i mange år, sier De Pontieu. Vi har gradvis økt kompleksiteten i modellen basert på observasjoner av svært høy kvalitet.

– Dette er en suksesshistorie for denne tilnærmingsmåten, avslutter han.

 

Basert på NASAs pressemelding

 

Publisert 22. juni 2017 20:10 - Sist endret 27. juni 2017 10:12