Tin tức Vũ trụ TV

‘Động cơ trung tâm’ cung cấp năng lượng cho ngọn lửa mặt trời

Ngày:
Th7 28, 2020
Tóm lược:

Các nhà nghiên cứu đã trình bày một cái nhìn mới, chi tiết bên trong ‘động cơ trung tâm’ của một ngọn lửa mặt trời lớn kèm theo một vụ phun trào mạnh mẽ của Owens Valley Solar Array. Những phát hiện mới cung cấp các phép đo đầu tiên đặc trưng cho các từ trường và các hạt ở trung tâm của vụ nổ.

Share:
CÂU CHUYỆN ĐẦY ĐỦ

Các nhà nghiên cứu cung cấp một cái nhìn chưa từng thấy bên trong động cơ trung tâm của Hồi giáo về một ngọn lửa mặt trời lớn, một địa điểm là những vụ nổ năng lượng đáng kinh ngạc được giải phóng và các hạt được gia tốc thành năng lượng tương đối. (Ảnh: NJIT-CSTR, B. Chen, S. Yu; NASA SDO)
Các nhà nghiên cứu cung cấp một cái nhìn chưa từng thấy bên trong động cơ trung tâm của động cơ về một ngọn lửa mặt trời lớn, một địa điểm là những vụ nổ năng lượng đáng kinh ngạc được giải phóng và các hạt được gia tốc thành năng lượng tương đối.
(Ảnh: NJIT-CSTR, B. Chen, S. Yu; NASA SDO)

Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Thiên văn học thiên nhiên (Nature Astronomy), một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế đã trình bày một cái nhìn chi tiết, mới mẻ bên trong “động cơ trung tâm” của một ngọn lửa mặt trời lớn kèm theo một vụ phun trào mạnh mẽ lần đầu tiên được chụp vào ngày 10 tháng 9 năm 2017 bởi Owens Valley Solar Array (EOVSA) – một cơ sở kính viễn vọng vô tuyến mặt trời được vận hành bởi Trung tâm nghiên cứu năng lượng mặt trời (NJIT) của Viện Công nghệ New Jersey (CSTR).

Những phát hiện mới dựa trên các quan sát của EOVSA về sự kiện ở bước sóng vi sóng, đưa ra các phép đo đầu tiên đặc trưng cho từ trường và các hạt ở trung tâm của vụ nổ. Kết quả đã cho thấy một “tấm” dòng điện khổng lồ kéo dài hơn 40.000 km xuyên qua vùng bùng phát lõi nơi các đường sức từ đối diện tiếp cận nhau, phá vỡ và kết nối lại, tạo ra năng lượng cực mạnh cung cấp năng lượng cho ngọn lửa.

Đáng chú ý, các phép đo của nhóm cũng chỉ ra một cấu trúc giống như chai từ tính nằm ở đỉnh của đế hình vòng tròn (được gọi là arcade flare) ở độ cao gần 20.000 km so với bề mặt của Mặt trời. Cấu trúc có khả năng là vị trí chính nơi các electron năng lượng cao của ngọn lửa bị giữ lại và tăng tốc đến gần tốc độ ánh sáng.

Các nhà nghiên cứu cho biết cái nhìn sâu sắc mới của nghiên cứu về động cơ trung tâm điều khiển các vụ phun trào mạnh mẽ như vậy có thể hỗ trợ dự đoán thời tiết trong không gian trong tương lai để giải phóng năng lượng thảm khốc từ các vụ cháy mặt trời – vụ nổ mạnh nhất của hệ mặt trời, có khả năng phá vỡ nghiêm trọng các công nghệ trên Trái đất như hoạt động vệ tinh, Hệ thống định vị và liên lạc GPS và nhiều hoạt động khác.

“Một trong những mục tiêu chính của nghiên cứu này là để hiểu rõ hơn về vật lý cơ bản của các vụ phun trào mặt trời”, Bin Chen, tác giả chính của bài báo và giáo sư vật lý tại NJIT cho biết. “Từ lâu, người ta đã đề xuất rằng việc giải phóng năng lượng từ trường đột ngột qua bảng dòng kết nối lại chịu trách nhiệm cho những vụ phun trào lớn này, nhưng vẫn chưa có phép đo tính chất từ ​​của nó. Với nghiên cứu này, cuối cùng chúng tôi đã đo được các chi tiết của từ trường, cho chúng ta một sự hiểu biết mới về động cơ trung tâm của pháo sáng chính của Mặt trời. “

Dale Gary, giám đốc EOVSA tại NJIT và đồng tác giả của bài báo cho biết, đã tồn tại tờ kết nối từ tính của ngọn lửa chia sẻ: “Nơi mà tất cả năng lượng được lưu trữ và giải phóng trong các ngọn lửa mặt trời là vô hình cho đến tận bây giờ. … Để chơi theo thuật ngữ vũ trụ học, đó là” vấn đề năng lượng tối “của Mặt trời, và trước đây chúng ta phải suy luận gián tiếp. Hình ảnh của EOVSA được tạo ra ở nhiều tần số vi sóng cho thấy chúng ta có thể thu được lượng phát xạ vô tuyến để chiếu sáng khu vực quan trọng này. Một khi chúng ta có dữ liệu đó và các công cụ phân tích được tạo ra bởi đồng tác giả Gregory Fleishman và Gelu Nita, chúng ta có thể bắt đầu phân tích bức xạ cho phép các phép đo này. “

Đầu năm nay trên tạp chí Science, nhóm nghiên cứu đã báo cáo rằng cuối cùng họ cũng có thể cung cấp các phép đo định lượng về cường độ từ trường phát triển trực tiếp sau sự đánh lửa của ngọn lửa.

Tiếp tục cuộc điều tra của họ, phân tích mới nhất của nhóm kết hợp mô phỏng số được thực hiện tại Trung tâm Vật lý thiên văn | Harvard & Smithsonian (CfA) với các quan sát hình ảnh quang phổ và dữ liệu đa bước sóng của EOVSA – sóng vô tuyến kéo dài đến tia X – được thu thập từ ngọn lửa mặt trời cỡ X8.2. Ngọn lửa bùng phát lớn thứ hai xảy ra từ chu kỳ mặt trời 11 năm qua, xảy ra với một vụ phóng đại khối nhanh (CME) gây ra một cú sốc quy mô lớn ở corona mặt trời phía trên.

Trong số những bất ngờ của nghiên cứu, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng cấu hình đo được của từ trường dọc theo tờ hiện tại của ngọn lửa có các dự đoán phù hợp chặt chẽ với các mô phỏng số của nhóm, dựa trên mô hình lý thuyết nổi tiếng để giải thích vật lý ngọn lửa mặt trời, lần đầu tiên được đề xuất trong những năm 1990 với hình thức phân tích.

Điều làm các nhà khoa học ngạc nhiên là hồ sơ từ trường đo được của tờ hiện tại rất phù hợp với dự đoán lý thuyết được thực hiện từ nhiều thập kỷ trước.

Lực từ trường của Mặt trời đóng vai trò then chốt trong việc tăng tốc plasma trong một vụ phun trào. Mô hình của nhóm nghiên cứu được sử dụng để tính toán vật lý của lực từ trong vụ phun trào này, biểu hiện như một” sợi dây “xoắn từ trường rất cao, hoặc dây từ thông. Điều đáng chú ý là quá trình phức tạp này có thể được nắm bắt bởi một mô hình phân tích đơn giản, và từ trường được dự đoán và đo lường rất phù hợp.

Trên: Quan sát về ngọn lửa mặt trời ngày 10 tháng 9 năm 2017 và mô hình ngọn lửa mặt trời tiêu chuẩn.  Trái:  Quan sát ở vùng cực tím (nền thang độ xám) và lò vi sóng (màu đỏ sang màu xanh biểu thị tần số tăng dần). Đường cong  màu cam nhạt  được chọn các đường sức từ từ mô hình lý thuyết phù hợp. Phải:  Mô phỏng số của ngọn lửa. Bảng hiện tại kết nối lại được hiển thị dưới dạng tính năng màu tím cam mỏng nằm giữa sợi dây thông từ phun trào và arcade bùng phát. Các nguồn vi sóng từ các electron tương đối tính được quan sát để lấp đầy toàn bộ khu vực xung quanh tờ hiện tại. ( Tín dụng:  NJIT-CSTR, B. Chen, S. Yu;  CfA , C. Shen; Đài thiên văn năng lượng mặt trời)
Trên: Quan sát về ngọn lửa mặt trời ngày 10 tháng 9 năm 2017 và mô hình ngọn lửa mặt trời tiêu chuẩn. Trái: Quan sát ở vùng cực tím (nền thang độ xám) và lò vi sóng (màu đỏ sang màu xanh biểu thị tần số tăng dần). Đường cong màu cam nhạt được chọn các đường sức từ từ mô hình lý thuyết phù hợp. Phải: Mô phỏng số của ngọn lửa. Bảng hiện tại kết nối lại được hiển thị dưới dạng tính năng màu tím cam mỏng nằm giữa sợi dây thông từ phun trào và arcade bùng phát. Các nguồn vi sóng từ các electron tương đối tính được quan sát để lấp đầy toàn bộ khu vực xung quanh tờ hiện tại.
( Tín dụng: NJIT-CSTR, B. Chen, S. Yu; CfA , C. Shen; Đài thiên văn năng lượng mặt trời)

Các mô phỏng được thực hiện bởi Chengcai Shen tại CfA đã được phát triển để giải quyết một cách số lượng các phương trình quản lý để định lượng hành vi của plasma dẫn điện trong từ trường của ngọn lửa. Bằng cách áp dụng một kỹ thuật tính toán tiên tiến được gọi là “sàng lọc lưới thích ứng”, nhóm nghiên cứu đã có thể giải quyết bảng hiện tại kết nối lại mỏng và chụp vật lý chi tiết của nó ở quy mô không gian siêu mịn đến dưới 100 km.

“Kết quả mô phỏng của chúng tôi phù hợp với cả dự đoán lý thuyết về cấu hình từ trường trong vụ phun trào mặt trời và tái tạo một tập hợp các đặc điểm có thể quan sát được từ ngọn lửa đặc biệt này, bao gồm cường độ từ tính và dòng chảy / dòng plasma xung quanh tấm dòng điện kết nối lại”, Shen lưu ý.

Các phép đo gây sốc

Các phép đo của nhóm và kết quả mô phỏng phù hợp cho thấy rằng tấm hiện tại của ngọn lửa có điện trường tạo ra mức công suất 4.000 volt mỗi mét. Một điện trường mạnh như vậy có mặt trên một khu vực 40.000 km, lớn hơn chiều dài của ba Trái đất được đặt cạnh nhau.

Phân tích cũng cho thấy một lượng năng lượng từ tính khổng lồ được bơm vào bảng hiện tại với tốc độ ước tính 10 – 100 tỷ tỷ (1022-1023) joules mỗi giây – nghĩa là lượng năng lượng được xử lý tại động cơ của ngọn lửa, trong mỗi giây, tương đương với tổng năng lượng được giải phóng sau vụ nổ của khoảng một trăm ngàn quả bom hydro mạnh nhất (loại 50 megaton) cùng một lúc.

Một sự giải phóng năng lượng khổng lồ như vậy ở tờ hiện tại là cực kỳ khó chịu. Điện trường mạnh được tạo ra ở đó có thể dễ dàng tăng tốc các electron thành năng lượng tương đối tính, nhưng thực tế bất ngờ chúng ta thấy là cấu hình điện trường trong vùng tấm hiện tại không trùng khớp với sự phân bố không gian của các electron tương đối tính mà chúng tôi đã đo được. Nói cách khác, một thứ khác phải được chơi để tăng tốc hoặc chuyển hướng các electron này. Dữ liệu của các nhà thiên văn học cho thấy là một vị trí đặc biệt ở dưới cùng của tờ hiện tại – chai từ tính – dường như rất quan trọng trong việc sản xuất hoặc giam cầm các electron tương đối tính.

Mặc dù tấm hiện tại dường như là nơi giải phóng năng lượng để làm cho quả bóng lăn, nhưng phần lớn sự gia tốc điện tử dường như xảy ra ở vị trí khác này, chai từ tính. … Các chai từ tính tương tự đang được phát triển để giới hạn và gia tốc các hạt trong một số lò phản ứng nhiệt hạch trong phòng thí nghiệm. Những người khác đã đề xuất một cấu trúc như vậy trong các ngọn lửa mặt trời trước đây, nhưng chúng ta thực sự có thể thấy nó bây giờ trong các con số.

Khoảng 99% các electron tương đối tính của ngọn lửa đã được quan sát thấy tập hợp tại chai từ tính trong suốt thời gian phát xạ dài năm phút.

Hiện tại, Chen cho biết nhóm sẽ có thể áp dụng các phép đo mới này làm cơ sở so sánh để nghiên cứu các sự kiện bùng phát mặt trời khác cũng như khám phá cơ chế chính xác làm tăng tốc các hạt bằng cách kết hợp các quan sát mới, mô phỏng số và lý thuyết nâng cao. Do khả năng đột phá của EOVSA, NJIT gần đây đã được chọn để tham gia vào Cộng tác khoa học chung của NASA / NSF DRIVE về Hợp tác phát hành năng lượng mặt trời bùng phát (Solfer).

“Mục tiêu của chúng tôi là phát triển sự hiểu biết đầy đủ về các ngọn lửa mặt trời, từ khi bắt đầu cho đến khi cuối cùng chúng phun ra các hạt năng lượng cao vào gió mặt trời, và cuối cùng, vào môi trường không gian của Trái đất”, Jim Drake, giáo sư vật lý tại Đại học, Maryland nói. Và điều tra viên chính của Solfer, người không tham gia vào nghiên cứu này. “Những quan sát đầu tiên này đã gợi ý rằng các electron tương đối tính có thể bị nhốt trong một chai từ tính lớn được tạo ra khi từ trường của corona ‘kết nối lại’ để giải phóng năng lượng của chúng. … Các quan sát của EOVSA sẽ tiếp tục giúp chúng ta làm sáng tỏ cách mà các từ trường truyền động những electron năng lượng này. “

Nghiên cứu sâu hơn về vai trò của chai từ tính trong gia tốc và vận chuyển hạt sẽ đòi hỏi mô hình tiên tiến hơn để so sánh với các quan sát của EOVSA. Chắc chắn có những triển vọng to lớn ngoài kia để chúng ta nghiên cứu giải quyết những câu hỏi cơ bản này.


Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Viện Công nghệ New Jersey . Bản gốc được viết bởi Jesse Jenkins. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.


Tạp chí tham khảo :

  1. Bin Chen, Chengcai Shen, Dale E. Gary, Katharine K. Reeves, Gregory D. Fleishman, Sijie Yu, Fan Guo, Säm Krucker, Jun Lin, Gelu M. Nita, Xiangliang Kong. Đo từ trường và các electron tương đối tính dọc theo một tấm dòng điện mặt trời . Thiên văn học thiên nhiên , 2020; DOI: 10.1038 / s41550-020-1147-7

Bài viết liên quan

Bài viết mới