NASA-Supercomputer löst 400 Jahre altes solarmagnetisches Rätsel

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Forscher, darunter ein Team der Northwestern University, haben einen Durchbruch beim Verständnis des solaren Magnetfelds erzielt und entdeckt, dass es näher an der Oberfläche entsteht als bisher angenommen. Diese Informationen könnten die Vorhersage von Sonnenstürmen verbessern, die Risiken für die technologische Infrastruktur der Erde darstellen. Bildnachweis: Issues.fr.com

Eine neue Studie zeigt, dass das Magnetfeld der Sonne näher an der Oberfläche entsteht, was ein 400 Jahre altes Rätsel löst, das erstmals von Galileo untersucht wurde, und die Vorhersage von Sonnenstürmen verbessert.

Ein internationales Forscherteam, darunter Nordwestliche Universität Ingenieure kommen der Lösung eines 400 Jahre alten Sonnenrätsels näher, das selbst den berühmten Astronomen Galileo Galilei vor ein Rätsel stellte.

Seit der ersten Beobachtung der magnetischen Aktivität der Sonne haben Astronomen Mühe, den Ursprung dieses Prozesses zu bestimmen. Nun, nachdem ich eine Reihe komplexer Berechnungen für a NASA Mithilfe eines Supercomputers entdeckten Forscher, dass das Magnetfeld etwa 20.000 Meilen unter der Sonnenoberfläche erzeugt wird.

Diese Entdeckung widerspricht früheren Theorien, die darauf hindeuten, dass das Phänomen einen tiefen Ursprung hat – beginnend mehr als 130.000 Meilen unter der Sonnenoberfläche.

Die Forschung wurde am 22. Mai in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.

Diese neue Entdeckung hilft uns nicht nur, die dynamischen Prozesse unserer Sonne besser zu verstehen, sondern könnte Wissenschaftlern auch dabei helfen, mächtige Sonnenstürme genauer vorherzusagen. Obwohl die starken Sonnenstürme dieses Monats großartige, weite Ausblicke auf das Nordlicht ermöglicht haben, können ähnliche Stürme schwere Zerstörungen anrichten und Satelliten, die die Erde umkreisen, Stromnetze und Funkkommunikation beschädigen.

Diese Abbildung zeigt eine Darstellung der Magnetfelder der Sonne in einem Bild, das vom Solar Dynamics Observatory der NASA aufgenommen wurde. Die komplexe Überlagerung von Linien kann Wissenschaftlern Aufschluss darüber geben, wie sich der Magnetismus der Sonne als Reaktion auf die ständige Bewegung auf und in der Sonne ändert. Bildnachweis: NASA/SDO/AIA/LMSAL

„Seit Galileo ist es eine offene Frage, den Ursprung des solaren Magnetfelds zu verstehen, und es ist wichtig für die Vorhersage künftiger Sonnenaktivitäten, etwa von Flares, die die Erde treffen könnten“, sagte Daniel Lecoanet, Co-Autor der Studie. „Diese Arbeit schlägt eine neue Hypothese darüber vor, wie das solare Magnetfeld erzeugt wird, die besser mit Sonnenbeobachtungen übereinstimmt und, wie wir hoffen, für bessere Vorhersagen der Sonnenaktivität genutzt werden könnte.“ »

Als Experte für astrophysikalische Fluiddynamik ist Lecoanet Assistenzprofessor für Ingenieurwissenschaften und angewandte Mathematik an der McCormick School of Engineering im Nordwesten und Mitglied des Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics. Geoffrey Vasil, Professor für Mathematik an der Universität Edinburgh in Schottland, leitete die Studie.

Eine verwirrende Geschichte

Seit Jahrhunderten untersuchen Astronomen die verräterischen Anzeichen der magnetischen Aktivität der Sonne. Unter ihnen war Galileo, der 1612 die ersten detaillierten Beobachtungen von Sonnenflecken machte. Mit frühen Teleskopen und sogar mit bloßem Auge dokumentierte Galileo die wechselnden dunklen Flecken, die durch das sich ständig ändernde Magnetfeld der Sonne verursacht wurden.

Im Laufe der Jahre haben Astronomen erhebliche Fortschritte beim Verständnis der Ursprünge des Sonnendynamos – des physikalischen Prozesses, der das Magnetfeld erzeugt – gemacht, aber es bestehen weiterhin Einschränkungen. Theorien, die beispielsweise darauf hindeuten, dass der Dynamo einen tiefen Ursprung hat, sagen Sonnenmerkmale voraus, die Astronomen noch nie beobachtet haben, wie zum Beispiel starke Magnetfelder in hohen Breiten.

Dieses Bild vom 20. Juni 2013 um 23:15 Uhr EDT zeigt das helle Licht einer Sonneneruption auf der linken Seite der Sonne und einen Ausbruch von Sonnenmaterial, der durch die Sonnenatmosphäre wandert und als Prominenzfackel bezeichnet wird. Bildnachweis: NASA/Goddard/SDO

Fehlende Teile

Um dieses Rätsel zu lösen, entwickelte das Forschungsteam neue hochmoderne numerische Simulationen zur Modellierung des Magnetfelds der Sonne. Im Gegensatz zu früheren Modellen berücksichtigt das neue Modell Torsionsschwingungen, ein zyklisches Modell dafür, wie Gas und Plasma zirkulieren in und um die Sonne. Da die Sonne nicht fest ist wie die Erde und der Mond, dreht sie sich nicht als einzelner Körper. Stattdessen variiert seine Rotation mit dem Breitengrad. Wie der 11-jährige solare magnetische Zyklus durchlaufen auch Torsionsschwingungen einen 11-Jahres-Zyklus.

„Da die Welle die gleiche Periode wie der magnetische Zyklus hat, dachten wir, dass diese Phänomene miteinander zusammenhängen“, sagte Lecoanet. „Die traditionelle ‚tiefe Theorie‘ des solaren Magnetfelds erklärt jedoch nicht, woher diese Torsionsschwingungen kommen. Ein interessanter Hinweis ist, dass Torsionsschwingungen nur in der Nähe der Sonnenoberfläche auftreten. Unsere Hypothese ist, dass der magnetische Zyklus und die Torsionsschwingungen unterschiedliche Manifestationen desselben physikalischen Prozesses sind.

Als Kyle Augustson, ein Postdoktorand in Lecoanets Labor an der Northwestern University, die numerischen Simulationen durchführte, stellten die Forscher fest, dass ihr neues Modell eine quantitative Erklärung für die beobachteten Eigenschaften der Torsionsschwingungen lieferte. Das Modell erklärt auch, wie Sonnenflecken Mustern in der magnetischen Aktivität der Sonne folgen – ein weiteres Detail, das in der Theorie des tiefen Ursprungs fehlt.

Verbessern Sie die Prognose

Mit einem besseren Verständnis des Solardynamos hoffen Forscher, die Vorhersagen von Sonnenstürmen zu verbessern. Wenn Sonneneruptionen und koronale Massenauswürfe auf die Erde treffen, können sie die Elektro- und Telekommunikationsinfrastruktur schwer beschädigen GPS Navigationswerkzeuge. Die jüngsten Sonnenstürme in diesem Monat zerstörten beispielsweise mitten in der Pflanzsaison die Navigationssysteme landwirtschaftlicher Geräte.

Aber Forscher betrachten einen noch stärkeren Sonnensturm, der Kanada im September 1859 traf, als Warnung. Der heftige Sturm, der als Carrington-Ereignis bezeichnet wurde, beschädigte das junge Telegrafensystem des Landes. Bei ausreichender Warnung könnten Ingenieure Maßnahmen ergreifen, um katastrophale Schäden in der Zukunft zu verhindern.

„Obwohl die jüngsten Sonnenstürme heftig waren, sind wir besorgt über noch stärkere Stürme wie das Carrington-Ereignis“, sagte Lecoanet. „Wenn heute ein Sturm ähnlicher Intensität die Vereinigten Staaten treffen würde, würde er einen Schaden zwischen 1 und 2 Billionen US-Dollar verursachen. Obwohl viele Aspekte der Sonnendynamik weiterhin im Dunkeln liegen, macht unsere Arbeit enorme Fortschritte bei der Lösung eines der ältesten ungelösten Probleme der theoretischen Physik und ebnet den Weg für bessere Vorhersagen der gefährlichen Sonnenenergie.

Um mehr über diese Forschung zu erfahren:

  • Astrophysiker überdenken solare Magnetfelder

Die Studie wurde von der NASA unterstützt (Fördernummern 80NSSC20K1280, 80NSSC22K1738 und 80NSSC22M0162). Die Berechnungen wurden mit Unterstützung des High-End-Computing-Programms der NASA durch die NASA Advanced Supercomputing (NAS) Division am Ames Research Center durchgeführt.

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