Plazma, koronadaki kapalı manyetik alan çizgileri boyunca akarak onu güneş yüzeyine doğru çekerek döngü gibi görünen yapılar oluşturuyor. Kredi bilgileri: NASA
Caltech araştırmacıları güneş patlamalarını simüle ederek yapılarının iç içe geçmiş halatlara benzediğini keşfettiler. Bu ‘halatlar’ aşırı yüklendiğinde kopuyorlar ve enerji patlamaları yayıyorlar, bu da gerçek güneş patlamalarının davranışına ışık tutuyor.
Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’ndeki (Caltech) araştırmacılar, muz büyüklüğündeki güneş patlamalarını simüle ederek, bu büyük patlamaların potansiyel olarak zararlı enerjik parçacıkları ve X ışınlarını evrene fırlattığı süreci analiz ettiler.
Corona döngüleri kemerlerdir plazma Manyetik alan çizgileri boyunca hizalanmış olarak güneşin yüzeyinden çıkıntı yapanlar. Manyetik alan çizgileri, yüklü parçacıklar için otoyollar gibi davranarak plazmayı oluşturan elektronların ve iyonların hareketini yönlendirir. Güneş yüzeyinin 100.000 kilometre yukarısına çıkabilen döngüler dakikalarca hatta saatlerce varlığını sürdürebiliyor. Döngüler genellikle yavaşça büyür ve gelişir, ancak bazen muazzam miktarda enerjiyi (Dünyadaki en güçlü nükleer patlamadan milyarlarca kat daha güçlü) aniden uzaya fırlatabilir. Bu ani enerji patlamasına güneş patlaması denir.
Bellan Laboratuvarında simüle edilmiş bir korona döngüsü. Kredi bilgileri: Caltech
Güneş Patlamalarından Kaynaklanan Potansiyel Tehditler
Parlamadaki enerjinin bir kısmı, doktor muayenehanesinde kemikleri görüntülemek için kullanılanlara benzer yüksek enerjili elektromanyetik dalgalar olan yüklü parçacıklar ve “sert X-ışınları” şeklini alıyor. Dünyanın kendi manyetik alanı ve atmosferi, yüzeydeki yaşamı bu enerji selleri tarafından pişirilmekten koruyan bir kalkan görevi görüyor, ancak bunların iletişimi ve güç şebekelerini bozduğu biliniyor. Ayrıca uzay araçları ve uzaydaki astronotlar için de devam eden bir tehdit oluşturuyorlar.
Araştırma Yaklaşımı ve Simülasyon
Güneş patlamalarının enerjik parçacıklar ve X-ışını patlamaları ürettiği gerçeği uzun süredir bilinmesine rağmen, bilim insanları bunu yapan mekanizmanın parçalarını henüz yeni bir araya getirmeye başlıyor.
Döngülerin nasıl ve neden oluştuğunu ve değiştiğini çözmek için araştırmacıların iki seçeneği var. Birincisi, güneşi gözlemlemek ve ilgili bilgiyi elde etmek için olayı yeterince ince ayrıntılarla yakalamayı ummaktır. İkincisi ise döngüleri laboratuvarda simüle etmektir. Caltech’ten uygulamalı fizik profesörü Paul Bellan ikincisini seçti.
Bellan Laboratuvarında simüle edilmiş bir korona döngüsü. Kredi bilgileri: Caltech
Bellan, Caltech kampüsündeki Uygulamalı Fizik Laboratuvarları Thomas J. Watson, Sr.’nin birinci katındaki bir laboratuvarda, içinde çift elektrot bulunan bir vakum odası inşa etti. Bu fenomeni simüle etmek için, Pasadena Şehri’ni birkaç mikrosaniye boyunca çalıştırmaya yetecek enerjiye sahip bir kondansatörü şarj etti, ardından minyatür bir güneş korona döngüsü oluşturmak için bunu elektrotlar aracılığıyla boşalttı.
Her döngü yaklaşık 10 mikrosaniye sürer ve yaklaşık 20 santimetre (cm) uzunluğa ve yaklaşık 1 cm çapa sahiptir. Ancak yapısal olarak Bellan’ın döngüleri gerçeğiyle aynı; kendisine ve meslektaşlarına bunları diledikleri gibi simüle etme ve inceleme fırsatı sunuyor.
Güneş patlamaları üzerine yeni bir makalenin kıdemli yazarı Bellan, “Her deney, yaklaşık 100 watt’lık bir ampulü yaklaşık bir dakika çalıştırmak için gereken kadar enerji tüketiyor ve kapasitörün şarj edilmesi yalnızca birkaç dakika sürüyor” diyor yakın zamanda dergide yayınlanan Doğa Astronomi. Bellan, saniyede 10 milyon kare çekebilen bir kamerayla her döngüyü yakalıyor ve ardından ortaya çıkan görüntüleri inceliyor.
Yeni Keşifler ve İçgörüler
Son keşifler arasında güneş korona döngülerinin tek bir yapı gibi görünmediği, bunun yerine büyük bir ipe benzeyen fraktal örgülü şeritlerden oluştuğu yer alıyor.
Yüksek lisans öğrencisi ve başyazarı Yang Zhang, “Bir ip parçasını parçalara ayırdığınızda, onun tek tek tellerden oluşan örgülerden oluştuğunu görürsünüz” diyor. Doğa Astronomi kağıt. “Bu tek tek telleri birbirinden ayırdığınızda, bunların daha da küçük tellerden oluşan örgüler olduğunu göreceksiniz, vb. Plazma döngüleri aynı şekilde çalışıyor gibi görünüyor.”
Gerçek bir güneş patlaması (üstte) ile Bellan laboratuvarında simüle edilen (altta) arasındaki yapısal benzerlikler. Kredi bilgileri: Bellan Lab
Bu yapının enerjik parçacıkların ve güneş patlamalarıyla ilişkili X-ışını patlamalarının oluşumu açısından önemli olduğu ortaya çıktı. Plazma güçlü bir elektrik iletkenidir; plazmayla dolu olan ve içinden elektrik geçtiğinde yanan neon tabelaları düşünün. Ancak çok fazla akım solar korona döngüsünden geçmeye çalıştığında yapı tehlikeye girer. Döngüde bir bükülme (tirbuşon şeklinde bir dengesizlik) gelişir ve tek tek teller kırılmaya başlar. Her yeni kopan iplik daha sonra geri kalanların üzerine yük bindirir.
Uygulamalı fizik ve malzeme bilimi alanında doktora sonrası araştırmacı araştırma görevlisi ve kitabın ortak yazarı Seth Pree, “Tıpkı çok sıkı gerilmiş bir elastik bant gibi, ilmek uzar ve incelir, ta ki teller kopuncaya kadar” diyor. Doğa Astronomi kağıt.
Korelasyonlar ve Gelecek Araştırmaları
Süreci mikrosaniye mikrosaniye inceleyen ekip, bir telin koptuğu anda bir X-ışını patlamasıyla ilişkili negatif voltaj yükselişini fark etti. Bu voltaj artışı, su borusundaki daralma noktasında oluşan basınç düşüşüne benzer. Bu voltaj artışından kaynaklanan elektrik alanı, yüklü parçacıkları aşırı enerjiye kadar hızlandırır, ardından enerjik parçacıklar yavaşladığında X ışınları yayılır.
Buna ek olarak Zhang, güneş patlamalarının resimlerini taradı ve laboratuvarda oluşturulana benzer bir bükülme istikrarsızlığını, daha sonraki bir X-ışını patlamasıyla ilişkili olarak belgelemeyi başardı.
Daha sonra ekip, ayrı plazma döngülerinin nasıl birleşip farklı konfigürasyonlarda yeniden düzenlenebileceğini keşfetmeyi planlıyor. Bu tür etkileşim sırasında enerji patlaması olaylarının da olup olmadığını öğrenmek istiyorlar.
Referans: Yang Zhang, Seth Pree ve Paul M. Bellan, 6 Nisan 2023, “Çoklu örgülü plazma döngülerinden laboratuvar nanoflares üretimi”, Doğa Astronomi.
DOI: 10.1038/s41550-023-01941-x
Bu araştırma Ulusal Bilim Vakfı ve İleri Araştırma Projeleri Ajansı-Enerji (ARPA-E) tarafından finanse edildi.