Laboratuvar güneş patlamaları, yüksek enerjili parçacıkların patlamalarının ardındaki mekanizmanın ipuçlarını ortaya koyuyor

Caltech’teki araştırmacılar, güneş patlamalarını bir muz büyüklüğünde simüle ederek, bu büyük patlamaların potansiyel olarak zararlı enerjik parçacıkları ve X-ışınlarını kozmosa fırlattığı süreci çözümlediler. Araştırmaları dergide yayınlandı Doğa Astronomisi.

Korona döngüleri, manyetik alan çizgileri boyunca hizalanmış, güneşin yüzeyinden çıkıntı yapan plazma kemerleridir. Manyetik alan çizgileri, plazmayı oluşturan elektronların ve iyonların hareketine rehberlik ederek yüklü parçacıklar için otoyollar gibi davranır. Güneş yüzeyinin 100.000 kilometre yukarısına çıkabilen döngüler, dakikalarca ve saatlerce devam edebilir. Döngüler genellikle yavaş büyür ve gelişir, ancak bazen muazzam miktarda enerjiyi aniden uzaya fırlatabilir – Dünya’daki en güçlü nükleer patlamadan milyarlarca kat daha güçlü. Bu ani enerji patlamasına güneş patlaması denir.

Parlamadaki enerjinin bir kısmı, doktor muayenehanesinde kemikleri görüntülemek için kullanılanlar gibi yüksek enerjili elektromanyetik dalgalar olan yüklü parçacıklar ve “sert X-ışınları” şeklini alır. Dünyanın kendi manyetik alanı ve atmosferi, yüzeydeki yaşamı bu enerji selleri tarafından pişmekten koruyan bir kalkan görevi görür, ancak bunların iletişim ve elektrik şebekelerini bozduğu bilinmektedir. Ayrıca uzay araçları ve uzaydaki astronotlar için sürekli bir tehdit oluşturuyorlar.

Güneş patlamalarının enerjik parçacıklar ve X-ışını patlamaları oluşturduğu gerçeği uzun zamandır bilinmesine rağmen, bilim adamları bunu yapan mekanizmayı ancak parçaları bir araya getirmeye başlıyor.

Araştırmacıların döngülerin nasıl ve neden oluştuğunu ve değiştiğini deşifre etmek için iki seçeneği var. Birincisi, güneşi gözlemlemek ve ilgili bilgileri elde etmek için fenomeni yeterince ince ayrıntılarla yakalamayı ummaktır. İkincisi, bir laboratuvarda döngüleri simüle etmektir. Caltech’ten uygulamalı fizik profesörü Paul Bellan ikincisini seçti.

Bellan, Caltech kampüsündeki Thomas J. Watson, Sr., Uygulamalı Fizik Laboratuvarları’nın birinci katındaki bir laboratuvarda, içinde ikiz elektrotlar bulunan bir vakum odası inşa etti. Fenomeni simüle etmek için, Pasadena Şehri’ni birkaç mikrosaniye çalıştırmaya yetecek enerjiyle bir kapasitör yükledi, ardından minyatür bir güneş korona döngüsü oluşturmak için elektrotlardan 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 gerçek şeyle aynıdır ve kendisine ve meslektaşlarına onları istedikleri zaman simüle etme ve inceleme fırsatı sunar.

Ekibin araştırma makalesinin kıdemli yazarı Bellan, “Her deney, 100 watt’lık bir ampulü yaklaşık bir dakika çalıştırmak için gereken kadar enerji tüketiyor ve kapasitörün şarj edilmesi sadece birkaç dakika sürüyor” diyor. Bellan, saniyede 10 milyon kare çekebilen bir kamerayla her döngüyü yakalıyor ve ardından ortaya çıkan görüntüleri inceliyor.

Son keşifler arasında, güneş korona döngülerinin tek bir yapı gibi görünmediği, bunun yerine büyük bir ipe benzeyen fraktal olarak örülmüş ipliklerden oluştuğu yer alıyor.

Yüksek lisans öğrencisi ve baş yazarı Yang Zhang, “Bir ip parçasını parçalara ayırırsanız, bunun ayrı ayrı ipliklerden oluşan örgülerden oluştuğunu görürsünüz” diyor. Doğa Astronomisi kağıt. “Bu iplikleri birbirinden ayırın ve bunların daha da küçük ipliklerden oluşan örgüler olduğunu göreceksiniz. Plazma döngüleri aynı şekilde çalışıyor gibi görünüyor.”

Görünüşe göre bu yapı, güneş patlamalarıyla ilişkili enerjik parçacıkların ve X-ışını patlamalarının oluşumu için önemlidir. Plazma güçlü bir elektrik iletkenidir; plazma ile dolu olan ve içinden elektrik geçtiğinde yanan neon tabelaları düşünün. Bununla birlikte, bir güneş korona döngüsünden çok fazla akım geçmeye çalıştığında, yapı tehlikeye girer. İlmek bir bükülme – tirbuşon şeklinde bir dengesizlik – geliştirir ve tek tek iplikler kırılmaya başlar. Her yeni kopan iplik daha sonra geri kalanlara baskı uygular.

Uygulamalı fizik ve malzeme biliminde doktora sonrası araştırma görevlisi ve makalenin ortak yazarı Seth Pree, “Elastik bir bandın çok gergin olması gibi, ilmek teller kopana kadar uzar ve incelir” diyor.

İşlemi mikrosaniye mikrosaniye inceleyen ekip, tam olarak bir telin koptuğu anda bir X-ışını patlamasıyla ilişkili bir negatif voltaj artışı fark etti. Bu voltaj artışı, bir su borusundaki daralma noktasında oluşan basınç düşüşüne benzer. Bu voltaj artışından kaynaklanan elektrik alanı, yüklü parçacıkları aşırı enerjiye hızlandırır ve ardından enerjik parçacıklar yavaşladığında X-ışınları yayılır.

Buna ek olarak Zhang, güneş patlamalarının resimlerini taradı ve sonraki bir X-ışını patlamasıyla ilişkilendirilen laboratuvarda oluşturulana benzer bir bükülme dengesizliğini belgelemeyi başardı.

Daha sonra ekip, ayrı plazma döngülerinin nasıl birleşip farklı konfigürasyonlarda yeniden düzenlenebileceğini keşfetmeyi planlıyor. Bu tür bir etkileşim sırasında enerji patlaması olaylarının da olup olmadığını öğrenmekle ilgilenirler.