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    Los investigadores ofrecen una mirada sin precedentes al motor central que alimenta una llamarada solar

    Observación de una gran erupción solar el 10 de septiembre 2017 en ultravioleta extremo (fondo en escala de grises, por el Observatorio de Dinámica Solar de la NASA) y microondas (de rojo a azul indican frecuencias crecientes, observado por la matriz solar ampliada de Owens Valley). Las curvas de color naranja claro son líneas de campo magnético seleccionadas del modelo de erupción solar teórico correspondiente. La llamarada es impulsada por la erupción de una cuerda de flujo magnético retorcida (ilustrada por un conjunto de curvas de color). Se observan fuentes de microondas en toda la región central donde se ubica una hoja de corriente de reconexión a gran escala, el "motor central" de la llamarada, que se utiliza para medir sus propiedades físicas. Crédito:CSTR / NJIT, B. Chen, S. Yu; Observatorio de dinámica solar de la NASA

    En un estudio publicado en Astronomía de la naturaleza , un equipo internacional de investigadores ha presentado una nueva, mirada detallada dentro del "motor central" de una gran erupción solar acompañada de una poderosa erupción capturada por primera vez el 10 de septiembre, 2017 por Owens Valley Solar Array (EOVSA), una instalación de radiotelescopio solar operada por el Centro de Investigación Solar-Terrestre (CSTR) del Instituto de Tecnología de Nueva Jersey (NJIT).

    Los nuevos hallazgos, basado en las observaciones de EOVSA del evento en longitudes de onda de microondas, ofrecen las primeras mediciones que caracterizan los campos magnéticos y las partículas en el centro de la explosión. Los resultados han revelado una enorme "hoja" de corriente eléctrica que se extiende más de 40, 000 kilómetros a través de la región de quemado del núcleo donde las líneas de campo magnético opuestas se acercan entre sí, romper y volver a conectar, generando la intensa energía que alimenta la llamarada.

    Notablemente, Las medidas del equipo también indican una estructura magnética similar a una botella ubicada en la parte superior de la base en forma de bucle de la bengala (conocida como la arcada de la bengala) a una altura de casi 20, 000 kilómetros sobre la superficie del Sol. La estructura, el equipo sugiere, Es probable que sea el sitio principal donde los electrones altamente energéticos de la llamarada quedan atrapados y acelerados a casi la velocidad de la luz.

    Los investigadores dicen que la nueva visión del estudio sobre el motor central que impulsa erupciones tan poderosas puede ayudar a las predicciones futuras del clima espacial para liberaciones de energía potencialmente catastróficas de las erupciones solares, las explosiones más poderosas del sistema solar, capaz de alterar gravemente las tecnologías en la Tierra, como las operaciones de satélites, Sistemas de navegación y comunicación GPS, Entre muchos otros.

    "Uno de los principales objetivos de esta investigación es comprender mejor la física fundamental de las erupciones solares, "dijo Bin Chen, autor principal del artículo y profesor de física en NJIT. "Se ha sugerido durante mucho tiempo que la liberación repentina de energía magnética a través de la hoja de corriente de reconexión es responsable de estas grandes erupciones, sin embargo, no se han medido sus propiedades magnéticas. Con este estudio finalmente medimos los detalles del campo magnético de una hoja de corriente por primera vez, dándonos una nueva comprensión del motor central de las principales erupciones solares ".

    "El lugar donde toda la energía se almacena y se libera en las erupciones solares ha sido invisible hasta ahora. ... Para jugar con un término de la cosmología, es el problema de la energía oscura del Sol, 'y anteriormente tuvimos que inferir indirectamente que existía la hoja de reconexión magnética de la llamarada, "dijo Dale Gary, Director de EOVSA en NJIT y coautor del artículo. "Las imágenes de EOVSA hechas en muchas frecuencias de microondas mostraron que podemos capturar emisiones de radio para iluminar esta importante región. Una vez que tuvimos esos datos, y las herramientas de análisis creadas por los coautores Gregory Fleishman y Gelu Nita, pudimos comenzar a analizar la radiación para permitir estas mediciones ".

    A principios de este año en la revista Ciencias , el equipo informó que finalmente podría proporcionar mediciones cuantitativas de la fuerza del campo magnético en evolución directamente después de la ignición de la llamarada.

    Continuando con su investigación, El último análisis del equipo combinó simulaciones numéricas realizadas en el Centro de Astrofísica | Harvard &Smithsonian (CfA) con las observaciones de imágenes espectrales de EOVSA y los datos de múltiples longitudes de onda, que abarcan desde ondas de radio hasta rayos X, recopilados de la erupción solar de tamaño X8.2. La llamarada es la segunda más grande que se ha producido en los últimos 11 años del ciclo solar. ocurriendo con una rápida eyección de masa coronal (CME) que provocó un choque a gran escala en la corona solar superior.

    Entre las sorpresas del estudio, Los investigadores encontraron que el perfil medido del campo magnético a lo largo de la hoja actual de la llamarada presenta predicciones muy similares a las de las simulaciones numéricas del equipo. que se basaron en un modelo teórico bien conocido para explicar la física de las erupciones solares, propuesto por primera vez en la década de 1990 con una forma analítica.

    "Nos sorprendió que el perfil del campo magnético medido de la hoja actual coincidiera a la perfección con la predicción teórica realizada hace décadas, "dijo Chen.

    "La fuerza del campo magnético del Sol juega un papel clave en la aceleración del plasma durante una erupción. Nuestro modelo se utilizó para calcular la física de las fuerzas magnéticas durante esta erupción, que se manifiesta como una 'cuerda' altamente retorcida de líneas de campo magnético, o cuerda de flujo magnético, "explicó Kathy Reeves, astrofísico de CfA y coautor del estudio. "Es notable que este complicado proceso se pueda capturar mediante un modelo analítico sencillo, y que los campos magnéticos predichos y medidos coinciden tan bien ".

    Las simulaciones realizado por Chengcai Shen en CfA, fueron desarrollados para resolver numéricamente ecuaciones de gobierno para cuantificar el comportamiento del plasma conductor de electricidad en todo el campo magnético de la llamarada. Al aplicar una técnica computacional avanzada conocida como "refinamiento de malla adaptativa, “El equipo pudo resolver la delgada hoja de corriente de reconexión y capturar su física detallada a escalas espaciales superfinas por debajo de los 100 kilómetros.

    "Los resultados de nuestra simulación coinciden con la predicción teórica sobre la configuración del campo magnético durante una erupción solar y reproducen un conjunto de características observables de esta llamarada en particular, incluida la fuerza magnética y la entrada / salida de plasma alrededor de la hoja de corriente de reconexión, "Señaló Shen.

    Medidas impactantes

    Las mediciones del equipo y los resultados de la simulación coincidente revelaron que la hoja actual de la llamarada presenta un campo eléctrico que produce un impactante 4, 000 voltios por metro. Un campo eléctrico tan fuerte está presente sobre 40, Región de 000 kilómetros, mayor que la longitud de tres Tierras colocadas juntas una al lado de la otra.

    El análisis también mostró una gran cantidad de energía magnética que se bombea a la hoja actual a una tasa estimada de 10 a 100 mil millones de billones (10 22 -10 23 ) julios por segundo, es decir, la cantidad de energía que se procesa en el motor de la bengala, dentro de cada segundo, es equivalente a la energía total liberada por la explosión de alrededor de cien mil de las bombas de hidrógeno más poderosas (clase de 50 megatones) al mismo tiempo.

    "Una liberación de energía tan enorme en la hoja actual es alucinante. El fuerte campo eléctrico generado allí puede acelerar fácilmente los electrones a energías relativistas, pero el hecho inesperado que encontramos fue que el perfil del campo eléctrico en la región de la hoja actual no coincidía con la distribución espacial de los electrones relativistas que medimos, "dijo Chen." En otras palabras, algo más tenía que estar en juego para acelerar o redirigir estos electrones. Lo que mostraron nuestros datos fue una ubicación especial en la parte inferior de la hoja actual, la botella magnética, parece ser crucial para producir o confinar los electrones relativistas ".

    "Si bien la hoja actual parece ser el lugar donde se libera la energía para hacer rodar la pelota, la mayor parte de la aceleración de electrones parece estar ocurriendo en esta otra ubicación, la botella magnética. ... Se están desarrollando botellas magnéticas similares para confinar y acelerar partículas en algunos reactores de fusión de laboratorio ", agregó Gary." Otros han propuesto una estructura de este tipo en erupciones solares antes, pero realmente podemos verlo ahora en los números ".

    Se observó que aproximadamente el 99% de los electrones relativistas de la llamarada se congregaban en la botella magnética durante la duración de la emisión de cinco minutos.

    Por ahora, Chen dice que el grupo podrá aplicar estas nuevas medidas como base comparativa para estudiar otros eventos de erupciones solares. así como explorar el mecanismo exacto que acelera las partículas al combinar las nuevas observaciones, simulaciones numéricas y teorías avanzadas. Debido a las innovadoras capacidades de EOVSA, NJIT fue seleccionado recientemente para participar en una colaboración conjunta entre NASA / NSF DRIVE Science Center sobre liberación de energía de llamaradas solares (SolFER).

    "Nuestro objetivo es desarrollar un conocimiento completo de las erupciones solares, desde su iniciación hasta que finalmente pulverizan partículas de alta energía en el viento solar, y eventualmente, en el entorno espacial de la Tierra, "dijo Jim Drake, profesor de física en la Universidad de Maryland e investigador principal de SolFER que no participó en este estudio. "Estas primeras observaciones ya sugieren que los electrones relativistas podrían quedar atrapados en una gran botella magnética producida cuando los campos magnéticos de la corona se 'reconectan' para liberar su energía ... Las observaciones de EOVSA continuarán ayudándonos a desentrañar cómo impulsa el campo magnético estos electrones energéticos ".

    "Seguir investigando el papel de la botella magnética en la aceleración y el transporte de partículas requerirá un modelo más avanzado para compararlo con las observaciones de EOVSA, ", dijo Chen." Ciertamente hay grandes perspectivas para que estudiemos que aborden estas cuestiones fundamentales ".


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