Waar komen ze vandaan?

Al tientallen jaren proberen wetenschappers een vervelend probleem op te lossen met betrekking tot het ruimteweer: op onvoorspelbare tijden bombarderen hoogenergetische deeltjes de aarde en objecten buiten onze atmosfeer met straling die het leven van astronauten in gevaar kan brengen en de elektronische apparatuur van satellieten kan vernietigen.

Deze opflakkeringen kunnen zelfs concentraties halen groot genoeg om passagiers te bereiken in vliegtuigen die over de Noordpool vliegen. Ondanks de inspanningen van wetenschappers, is een duidelijk patroon van hoe en wanneer opflakkeringen zullen optreden moeilijk te identificeren.

Bij de foto: Een artistiek concept van NASA's Parker Solar Probe (*) die de zon observeert. Foto: NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben

Deze week, in een artikel in The Astrophysical Journal Letters, hebben de auteurs Luca Comisso en Lorenzo Sironi van Columbia's Department of Astronomy en het Astrophysics Laboratory voor het eerst supercomputers gebruikt om te simuleren wanneer en hoe hoogenergetische deeltjes worden geboren in turbulente omgevingen zoals die op de atmosfeer van de zon. Dit nieuwe onderzoek maakt de weg vrij voor nauwkeurigere voorspellingen van wanneer gevaarlijke uitbarstingen van deze deeltjes zullen plaatsvinden.

"Dit opwindende nieuwe onderzoek zal ons in staat stellen om de oorsprong van zonne-energetische deeltjes beter te voorspellen en voorspellingsmodellen van ruimteweergebeurtenissen te verbeteren, een belangrijk doel van NASA en andere ruimteagentschappen en regeringen over de hele wereld," zei Comisso. Binnen de komende paar jaar, voegde hij eraan toe, kan NASA's Parker Solar Probe, het ruimtevaartuig dat het dichtst bij de zon staat, de bevindingen van het artikel mogelijk valideren door de voorspelde verspreiding van hoogenergetische deeltjes die in de buitenste atmosfeer van de zon worden gegenereerd, rechtstreeks te observeren.

In hun artikel "Ion and Electron Acceleration in Fully Kinetic Plasma Turbulence", tonen Comisso en Sironi aan dat magnetische velden in de buitenste atmosfeer van de zon ionen en elektronen kunnen versnellen tot snelheden die dicht bij de lichtsnelheid liggen. De buitenatmosfeer van de zon en andere sterren bestaat uit deeltjes in plasmatoestand, een zeer turbulente toestand die verschilt van vloeibare, gasvormige en vaste toestanden. Wetenschappers hebben lang geloofd dat het plasma van de zon hoogenergetische deeltjes genereert. Maar deeltjes in plasma bewegen zo grillig en onvoorspelbaar dat men niet volledig heeft kunnen aantonen hoe en wanneer dit gebeurt.

Met behulp van supercomputers van Columbia, NASA en het National Energy Research Scientific Computing Center creëerden Comisso en Sironi computersimulaties die de exacte bewegingen van elektronen en ionen in het plasma van de zon laten zien. Deze simulaties bootsen de atmosferische omstandigheden op de zon na en bieden de meest uitgebreide gegevens die tot nu toe zijn verzameld over hoe en wanneer hoogenergetische deeltjes zullen worden gevormd.

Het onderzoek geeft antwoord op vragen die wetenschappers al minstens 70 jaar onderzoeken: In 1949 begon de natuurkundige Enrico Fermi magnetische velden in de ruimte te onderzoeken als een potentiële bron van de hoogenergetische deeltjes (die hij kosmische straling noemde) die waargenomen werden in de atmosfeer van de aarde. Sindsdien vermoeden wetenschappers dat het plasma van de zon een belangrijke bron van deze deeltjes is, maar het is moeilijk om dit definitief te bewijzen.

Het onderzoek van Comisso en Sironi, dat werd uitgevoerd met steun van NASA en de National Science Foundation, heeft implicaties tot ver buiten ons eigen zonnestelsel. De overgrote meerderheid van de waarneembare materie in het universum bevindt zich in een plasmatoestand. Begrijpen hoe sommige van de deeltjes waaruit plasma bestaat, kunnen worden versneld tot hoge energieniveaus, is een belangrijk nieuw onderzoeksgebied, aangezien energetische deeltjes routinematig worden waargenomen, niet alleen rond de zon, maar ook in andere omgevingen in het universum, inclusief de omgeving van zwarte gaten en neutronensterren.

Terwijl het nieuwe artikel van Comisso en Sironi zich richt op de zon, zouden verdere simulaties in andere contexten kunnen worden uitgevoerd om te begrijpen hoe en wanneer verre sterren, zwarte gaten en andere entiteiten in het universum hun eigen uitbarstingen van energie zullen genereren.

"Onze resultaten zijn gericht op de zon, maar kunnen ook worden gezien als een startpunt om beter te begrijpen hoe hoogenergetische deeltjes worden geproduceerd in verder weg gelegen sterren en rond zwarte gaten", zei Comisso. "Wat supercomputersimulaties ons kunnen vertellen over hoe deze deeltjes in het universum worden geboren, dat is nog maar het topje van de ijsberg."

Vertaling: Jan Vyvey
Bron: Columbia University

(*) https://nl.wikipedia.org/wiki/Parker_Solar_Probe