Artikkel

Finner opphavet til solens virvlende gassfingre

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

Finner opphavet til solens virvlende gassfingre

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

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.

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

Bart de Pontieu
Bart de Ponteiu var årets Rosseland-foreleser på Realfagsbiblioteket i 2016, med foredraget «Living with Our nearest Star». Foto: ITA/UiO.

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.

– 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.

UiO-instituttet 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.

– 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, påpeker De Pontieu.

Filmen under viser gassfingre over kanten av solen, observert med romteleskopet IRIS. Så mange som ti millioner slike jetstrømmer finnes til enhver tid på hele solens overflate. For første gang har forskere klart å lage en datamodell som produserer strømmende fingre av gass i så god overensstemmelse med observasjonene. Samspillet mellom ladete og nøytrale partikler viste seg å være essensielt for å danne gassfingrene i modellen. Film: NASA/Goddard.

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 ti 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.

Solsimulering
Stillbilde fra datamodellen som simulerer solatmosfæren. Koden er utviklet av solforskningsmiljøet ved Institutt for teoretisk astrofysikk, Universitetet i Oslo. 

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 gi lang kjøringstid på datamaskinene. Den siste modellen tok omtrent et år å kjøre på NASAs superdatamaskin Pleiades i Silicon Valley.

Kokende gass i solen

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.

Solfysiker Juan Martínez-Sykora er førsteforfatter på artikkelen. Han tok sin doktorgrad 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 forsker Tiago Pereira 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

Mer på Titan.uio.no

Kontakt

Professor Mats Carlsson

Professor Viggo Hansteen

Professor Luc Rouppe van der Voort

Les mer om solen:

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også

sommer, hengekøye

Ferieslapp? Prøv en app!

Sommerferie er fint, men utfordringene står i kø: Du bør oppleve noe nytt, hjernen skal holdes ved like, og kanskje må du snakke med mennesker fra andre steder.
Marianne Løken har studert unge kvinners utdanningsvalg

- Rollemodeller kan bli skremselsmodeller

Marianne Løken spurte unge kvinner hvorfor de valgte å studere mannsdominerte realfag. Hun fikk til svar at rekrutteringskampanjer har bidratt til å forsterke kjønnsstereotypier snarere enn å bryte dem ned.