Un team di scienziati ha, per la prima volta, usato un singolo, modello computerizzato coesivo per simulare l'intero ciclo di vita di un brillamento solare:dall'accumulo di energia migliaia di chilometri sotto la superficie solare, all'emergere di linee di campo magnetico aggrovigliate, al rilascio esplosivo di energia in un lampo brillante.

La realizzazione, dettagliato nel giornale Astronomia della natura , pone le basi per i futuri modelli solari per simulare realisticamente il tempo atmosferico del Sole mentre si svolge in tempo reale, compresa la comparsa di macchie solari turbolente, che a volte producono razzi ed espulsioni di massa coronale. Queste eruzioni possono avere impatti diffusi sulla Terra, dall'interruzione delle reti elettriche e delle reti di comunicazione, per danneggiare i satelliti e mettere in pericolo gli astronauti.

Gli scienziati del National Center for Atmospheric Research (NCAR) e del Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory hanno guidato la ricerca. La nuova simulazione completa cattura la formazione di un brillamento solare in un modo più realistico rispetto agli sforzi precedenti, e include lo spettro delle emissioni luminose note per essere associate ai brillamenti.

"Questo lavoro ci consente di fornire una spiegazione del motivo per cui i razzi hanno l'aspetto che hanno, non solo a una singola lunghezza d'onda, ma nelle lunghezze d'onda visibili, nelle lunghezze d'onda dell'ultravioletto e dell'ultravioletto estremo, e nei raggi X, " ha detto Mark Cheung, un fisico dello staff del Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory e un visiting scholar presso la Stanford University. "Stiamo spiegando i molti colori dei brillamenti solari".

La ricerca è stata finanziata in gran parte dalla NASA e dalla National Science Foundation, che è lo sponsor di NCAR.

Colmare le scale

Per il nuovo studio, gli scienziati hanno dovuto costruire un modello solare che potesse estendersi su più regioni del Sole, catturare il comportamento fisico complesso e unico di ciascuno.

Il modello risultante inizia nella parte superiore della zona di convezione, circa 10, 000 chilometri sotto la superficie del Sole:sale attraverso la superficie solare, e spinge fuori 40, 000 chilometri nell'atmosfera solare, noto come corona. Le differenze di densità del gas, pressione, e altre caratteristiche del Sole rappresentate attraverso il modello sono vaste.

Per simulare con successo un brillamento solare dall'emergenza al rilascio di energia, gli scienziati avevano bisogno di aggiungere equazioni dettagliate al modello che consentissero a ciascuna regione di contribuire all'evoluzione del brillamento solare in modo realistico. Ma dovevano anche stare attenti a non rendere il modello così complicato da non essere più pratico per funzionare con le risorse di supercalcolo disponibili.

"Abbiamo un modello che copre una vasta gamma di condizioni fisiche, che lo rende molto impegnativo, " ha detto lo scienziato NCAR Matthias Rempel. "Questo tipo di realismo richiede soluzioni innovative."

Per affrontare le sfide, Rempel ha preso in prestito una tecnica matematica usata storicamente dai ricercatori che studiano le magnetosfere della Terra e di altri pianeti. La tecnica, che ha permesso agli scienziati di comprimere la differenza nelle scale temporali tra gli strati senza perdere precisione, ha permesso al team di ricerca di creare un modello che fosse sia realistico che computazionalmente efficiente.

Il passo successivo è stato quello di creare uno scenario sul Sole simulato. In precedenti ricerche che utilizzavano modelli meno complessi, gli scienziati hanno avuto bisogno di avviare i modelli quasi nel momento in cui il bagliore sarebbe scoppiato per essere in grado di formare un bagliore.

Nel nuovo studio, il team voleva vedere se il loro modello poteva generare da solo un bagliore. Hanno iniziato creando uno scenario con condizioni ispirate a una macchia solare particolarmente attiva osservata nel marzo 2014. La macchia solare effettiva ha generato dozzine di brillamenti durante il tempo in cui era visibile, tra cui una classe X molto potente e tre razzi classe M moderatamente potenti. Gli scienziati non hanno cercato di imitare accuratamente la macchia solare del 2014; invece si avvicinavano approssimativamente agli stessi ingredienti solari che erano presenti all'epoca e che erano così efficaci nel produrre brillamenti.

Poi hanno lasciato andare il modello, guardando per vedere se avrebbe generato un bagliore da solo.

"Il nostro modello è stato in grado di catturare l'intero processo, dall'accumulo di energia all'emergere in superficie all'innalzamento nella corona, energizzando la corona, e poi arrivare al punto in cui l'energia viene rilasciata in un brillamento solare, " ha detto Rempel.

Ora che il modello ha dimostrato di essere in grado di simulare realisticamente l'intero ciclo di vita di un brillamento, gli scienziati lo testeranno con osservazioni del mondo reale del Sole e vedranno se può simulare con successo ciò che effettivamente accade sulla superficie solare.

"Si trattava di una simulazione autonoma ispirata ai dati osservati, " Ha detto Rempel. "Il passo successivo è quello di inserire direttamente i dati osservati nel modello e lasciare che guidi ciò che sta accadendo. È un modo importante per convalidare il modello, e il modello può anche aiutarci a capire meglio cosa stiamo osservando sul Sole".