In uno studio pubblicato su Astronomia della natura , un team internazionale di ricercatori ha presentato un nuovo, sguardo dettagliato all'interno del "motore centrale" di un grande brillamento solare accompagnato da una potente eruzione catturata per la prima volta il 10 settembre, 2017 dall'Owens Valley Solar Array (EOVSA), una struttura di radiotelescopi solari gestita dal Centro per la ricerca solare-terrestre (CSTR) del New Jersey Institute of Technology (NJIT).

Le nuove scoperte, sulla base delle osservazioni di EOVSA dell'evento alle lunghezze d'onda delle microonde, offrono le prime misurazioni che caratterizzano i campi magnetici e le particelle al centro dell'esplosione. I risultati hanno rivelato un enorme "foglio" di corrente elettrica che si estende per più di 40, 000 chilometri attraverso la regione del core flaring dove le linee di campo magnetico opposte si avvicinano l'una all'altra, rompere e riconnettersi, generando l'intensa energia che alimenta il bagliore.

In particolare, le misurazioni della squadra indicano anche una struttura magnetica simile a una bottiglia situata nella parte superiore della base a forma di anello del bengala (nota come arcade del bengala) ad un'altezza di quasi 20, 000 chilometri sopra la superficie del Sole. La struttura, il team suggerisce, è probabilmente il sito principale in cui gli elettroni altamente energetici del brillamento sono intrappolati e accelerati quasi alla velocità della luce.

I ricercatori affermano che la nuova visione dello studio sul motore centrale che guida tali potenti eruzioni potrebbe aiutare le future previsioni del tempo spaziale per i rilasci di energia potenzialmente catastrofici dai brillamenti solari:le esplosioni più potenti del sistema solare, in grado di sconvolgere gravemente le tecnologie sulla Terra come le operazioni satellitari, Sistemi di navigazione e comunicazione GPS, tra molti altri.

"Uno dei principali obiettivi di questa ricerca è comprendere meglio la fisica fondamentale delle eruzioni solari, "ha detto Bin Chen, l'autore principale del documento e professore di fisica al NJIT. "È stato a lungo suggerito che l'improvviso rilascio di energia magnetica attraverso il foglio di corrente di riconnessione sia responsabile di queste grandi eruzioni, tuttavia non è stata effettuata alcuna misurazione delle sue proprietà magnetiche. Con questo studio abbiamo finalmente misurato per la prima volta i dettagli del campo magnetico di un foglio di corrente, dandoci una nuova comprensione del motore centrale dei principali brillamenti del Sole".

"Il luogo in cui tutta l'energia è immagazzinata e rilasciata nei brillamenti solari è stato invisibile fino ad ora... Per giocare su un termine della cosmologia, è il "problema dell'energia oscura" del Sole, ' e in precedenza abbiamo dovuto dedurre indirettamente che esisteva il foglio di riconnessione magnetica del bagliore, " ha detto Dale Gary, Direttore EOVSA presso NJIT e coautore del documento. "Le immagini di EOVSA realizzate a molte frequenze delle microonde hanno mostrato che possiamo catturare le emissioni radio per illuminare questa importante regione. Una volta ottenuti quei dati, e gli strumenti di analisi creati dai coautori Gregory Fleishman e Gelu Nita, siamo stati in grado di iniziare ad analizzare la radiazione per consentire queste misurazioni".

All'inizio di quest'anno sulla rivista Scienza , il team ha riferito che potrebbe finalmente fornire misurazioni quantitative dell'intensità del campo magnetico in evoluzione direttamente dopo l'accensione del bagliore.

Continuando la loro indagine, l'ultima analisi del team ha combinato simulazioni numeriche eseguite presso il Center for Astrophysics | Harvard &Smithsonian (CfA) con le osservazioni di imaging spettrale di EOVSA e i dati multilunghezza d'onda, che vanno dalle onde radio ai raggi X, raccolti dal brillamento solare di dimensioni X8.2. Il brillamento è il secondo più grande verificatosi negli ultimi 11 anni del ciclo solare, si è verificato con una rapida espulsione di massa coronale (CME) che ha provocato uno shock su larga scala nella corona solare superiore.

Tra le sorprese dello studio, i ricercatori hanno scoperto che il profilo misurato del campo magnetico lungo il foglio corrente del bagliore corrispondeva strettamente alle previsioni delle simulazioni numeriche del team, che si basavano su un noto modello teorico per spiegare la fisica dei brillamenti solari, proposto per la prima volta negli anni '90 con una forma analitica.

"Ci ha sorpreso che il profilo del campo magnetico misurato del foglio corrente corrispondesse magnificamente alla previsione teorica fatta decenni fa, " disse Chen.

"La forza del campo magnetico del Sole gioca un ruolo chiave nell'accelerazione del plasma durante un'eruzione. Il nostro modello è stato utilizzato per calcolare la fisica delle forze magnetiche durante questa eruzione, che si manifesta come una "corda" altamente contorta di linee di campo magnetico, o corda di flusso magnetico, "ha spiegato Kathy Reeves, astrofisico del CfA e coautore dello studio. "È notevole che questo processo complicato possa essere catturato da un modello analitico semplice, e che i campi magnetici previsti e misurati corrispondono così bene."

Le simulazioni, eseguita da Chengcai Shen al CfA, sono stati sviluppati per risolvere numericamente le equazioni di governo per quantificare il comportamento del plasma elettricamente conduttore in tutto il campo magnetico del brillamento. Applicando una tecnica computazionale avanzata nota come "raffinamento della mesh adattiva, " il team è stato in grado di risolvere il sottile foglio di corrente di riconnessione e catturare la sua fisica dettagliata su scale spaziali superfini fino a meno di 100 chilometri.

"I risultati della nostra simulazione corrispondono sia alla previsione teorica sulla configurazione del campo magnetico durante un'eruzione solare sia riproducono una serie di caratteristiche osservabili da questo particolare brillamento, compresa la forza magnetica e l'afflusso/deflusso del plasma attorno al foglio di corrente di riconnessione, " ha notato Shen.

Misure scioccanti

Le misurazioni del team e i risultati della simulazione corrispondenti hanno rivelato che il foglio di corrente del brillamento presenta un campo elettrico che produce uno shock 4, 000 volt per metro. Un campo elettrico così forte è presente su un 40, regione di 000 chilometri, maggiore della lunghezza di tre Terre affiancate.

L'analisi ha anche mostrato un'enorme quantità di energia magnetica pompata nel foglio corrente a una velocità stimata di 10-100 miliardi di trilioni (10 ²² -10 ²³ ) joule al secondo, ovvero la quantità di energia elaborata dal motore del razzo, entro ogni secondo, è equivalente all'energia totale rilasciata dall'esplosione di circa centomila delle più potenti bombe all'idrogeno (classe da 50 megatoni) contemporaneamente.

"Un così enorme rilascio di energia nel foglio corrente è strabiliante. Il forte campo elettrico generato lì può facilmente accelerare gli elettroni a energie relativistiche, ma il fatto inaspettato che abbiamo scoperto è che il profilo del campo elettrico nella regione del foglio corrente non coincideva con la distribuzione spaziale degli elettroni relativistici che abbiamo misurato, " disse Chen. "In altre parole, qualcos'altro doveva essere in gioco per accelerare o reindirizzare questi elettroni. Ciò che i nostri dati hanno mostrato è stata una posizione speciale nella parte inferiore del foglio corrente, la bottiglia magnetica, che sembra essere cruciale nella produzione o nel confinamento degli elettroni relativistici".

"Mentre il foglio attuale sembra essere il luogo in cui viene rilasciata l'energia per far rotolare la palla, la maggior parte dell'accelerazione degli elettroni sembra avvenire in quest'altra posizione, la bottiglia magnetica. ... Bottiglie magnetiche simili sono in fase di sviluppo per confinare e accelerare le particelle in alcuni reattori a fusione di laboratorio." ha aggiunto Gary. "Altri hanno proposto una tale struttura nei brillamenti solari in precedenza, ma ora possiamo davvero vederlo nei numeri".

Circa il 99% degli elettroni relativistici del brillamento sono stati osservati riunirsi nella bottiglia magnetica per tutta la durata dell'emissione di cinque minuti.

Per adesso, Chen dice che il gruppo sarà in grado di applicare queste nuove misurazioni come base comparativa per studiare altri eventi di brillamento solare, oltre a esplorare l'esatto meccanismo che accelera le particelle combinando le nuove osservazioni, simulazioni numeriche e teorie avanzate. Grazie alle capacità innovative di EOVSA, NJIT è stato recentemente selezionato per partecipare a una collaborazione congiunta NASA/NSF DRIVE Science Center sul rilascio dell'energia solare in fiamme (SolFER).

"Il nostro obiettivo è sviluppare una piena comprensione dei brillamenti solari, dalla loro iniziazione fino a quando finalmente spruzzano particelle altamente energizzate nel vento solare, ed eventualmente, nell'ambiente spaziale della Terra, " disse Jim Drake, professore di fisica all'Università del Maryland e ricercatore principale di SolFER che non è stato coinvolto in questo studio. "Queste prime osservazioni suggeriscono già che gli elettroni relativistici potrebbero essere intrappolati in una grande bottiglia magnetica prodotta quando i campi magnetici della corona si "riconnettono" per rilasciare la loro energia. ... Le osservazioni EOVSA continueranno ad aiutarci a svelare come il campo magnetico guida questi elettroni energetici."

"Indagare ulteriormente il ruolo della bottiglia magnetica nell'accelerazione e nel trasporto delle particelle richiederà modelli più avanzati da confrontare con le osservazioni di EOVSA, " ha detto Chen. "Ci sono certamente enormi prospettive là fuori per noi di studiare che affrontino queste domande fondamentali".