Selv om solen er den n?rmeste og for oss mennesker den aller viktigste stjernen i universet, er tre av solens g?ter fortsatt ikke l?st.
– Den ene er hvorfor solatmosf?ren er flere millioner grader varmere enn solens overflate. Den andre er hvorfor solvinden akselererer. Den tredje er hvorfor solen har en syklus p? elleve ?r, forteller professor Mats Carlsson p? Astrofysisk institutt ved Universitetet i Oslo. Han leder Rosselandsenteret, et senter for fremragende forskning som jobber med ? fravriste solen dens store hemmeligheter.
Sammen med tre andre forskningsinstitusjoner i Europa skal UiO lage en helt ny tredimensjonal modell av solen. 澳门葡京手机版app下载sprosjektet, som de har kalt for Whole Sun, skal gj?re det mulig ? forst? mye bedre hvordan solen fungerer.
Mysteriene i solatmosf?ren
De norske astrofysikerne er verdensledende i ? modellere solatmosf?ren. Solatmosf?ren kan deles opp i fotosf?ren, kromosf?ren og koronaen. Det nederste laget, fotosf?ren er den synlige overflaten p? solen. Det midterste laget, kromosf?ren, strekker seg 2500 kilometer opp fra fotosf?ren. Det ytterste laget kalles koronaen. Den strekker seg et par millioner kilometer ut fra solen og er bare synlig ved totale solform?rkelser. Da ser den ut som en bl?hvit krans.
Solen er varmest i midten. Her snakker vi om 15,7 millioner grader celsius. S? blir det kaldere og kaldere jo lenger ut i periferien vi kommer. P? soloverflaten har temperaturen falt til vel 6000 grader.
– Hvis solen bare hadde hatt én energikilde, ville temperaturen fortsatt ha falt utover i solatmosf?ren.
Men det omvendte skjer. Temperaturen ?ker lenger ut i solatmosf?ren. Vi snakker ikke bare om noen f? graders oppvarming. I deler av solatmosf?ren kan temperaturen bli p? flere millioner grader.
Magnetfeltet varmer opp
Mats Carlsson har hele livet sitt forsket p? dette besynderlige fenomenet.
– Magnetfeltet spiller hovedrollen for at deler av koronaen, alts? den ?vre delen av solatmosf?ren, blir varmere, forteller Carlsson.
Forskergruppen hans har studert dette i mange ?r. Spesialet deres er en omfattende simuleringsmodell av solatmosf?ren og det ?verste laget av solen. Her viser de hvordan magnetfeltet, som str?mmer opp fra solens indre, p?virker solatmosf?ren.
Utfordringen er at de ikke vet hvor sterke magnetfeltene er n?r de kommer opp fra solens indre. Frem til i dag har l?sningen deres v?rt ? pr?ve seg frem med ulike inngangsverdier p? magnetfeltet i simuleringsmodellen.
– Vi vet at magnetfeltet blir generert inne i solen, men vi skj?nner ikke hvordan. P? et eller annet vis greier solen ? f? til en slags dynamo i sitt indre. Tettheten av gasser blir mindre der magnetfeltet er. Da vil gassen sive oppover, forklarer professor Viggo Hansteen p? Rosseland-senteret.
Spesialfeltet hans er ? se p? hvordan magnetfeltet kommer opp fra solen og inn i solatmosf?ren. Dette er viktig ? forske p?. Soleksplosjoner skyldes magnetfeltet.
Magnetfeltet er blitt sterkt n?r det n?r fotosf?ren. Da blir det v?rende der en stund. N?r det er dannet en viss mengde magnetfelt, vil det fortsette ut i den ytre solatmosf?ren.
Oppe i kromosf?ren, et par tusen kilometer over fotosf?ren, inneholder magnetfeltene mer energi enn gassene.
– Hver gang det skjer en liten gnisning i magnetfeltet, vil vi f? den samme effekten som n?r du dytter to Brio-tog med samme magnetpoler mot hverandre. Magnetfeltet f?r derfor ting til ? bevege seg raskt. Ettersom magnetfeltet danner str?m og det er lite gass i atmosf?ren, vil energien fra magnetfeltet varme opp den lille gassen, forklarer Hansteen.
Omfattende simuleringer
Denne rare mekanismen forklarer hvorfor magnetfeltet varmer opp solatmosf?ren. For ? vise dette har forskerne laget en simuleringsmodell. En simuleringsmodell er et program p? datamaskinen der forskerne kan simulere hvordan magnetfeltene endrer temperaturen i atmosf?ren over tid.
Det er ikke lett ? lage en slik modell. For ? klare dette har forskerne delt opp deler av solen og solens atmosf?re i sv?rt mange sm? bokser. I hver av boksene gj?res det beregninger p? slike ting som magnetfelt, energi, str?ling og temperatur.
Det ideelle hadde v?rt ? dele opp solen og solatmosf?ren i s? sm? bokser at sidene p? boksene bare er et par kilometer brede, men med tanke p? at radiusen p? solen er 700 000 kilometer og at solatmosf?ren strekker seg flere millioner kilometer utover, kan du kanskje tenke deg at modellen trenger sv?rt mange bokser.
Forskerne m? dessuten ta hensyn til en annen viktig detalj. For ? kunne beregne alt som skjer n?r magnetfeltet beveger seg mellom boksene, m? tidsenheten mellom hver eneste beregning i boksene v?re s? liten at forskerne kan beregne bevegelsen til magnetfeltet gjennom hver eneste boks. Problemet er at vi snakker om enorme hastigheter.
Lydb?lgene her p? Jorda har en hastighet p? vel 1000 kilometer i timen. Det er ingenting i forhold til hva som skjer i solen.
– Magnetb?lgene i solatmosf?ren kan bevege seg s? raskt som 10 000 kilometer i sekundet.
Det er noen millioner ganger raskere enn lydb?lgene p? Jorda. Disse magnetb?lgene kalles for Alfven-b?lger, oppkalt etter den svenske fysikeren Hannes Olof G?sta Alfven, som fikk nobelprisen i fysikk i 1970.
S? for ? v?re helt sikker p? at du har f?tt med deg poenget:
N?r Alfven-b?lgene beveger seg gjennom boksene i modellen, er det viktig at tidsangivelsen mellom hver eneste beregning er s? presis at forskerne kan f?lge med p? hva som skjer i alle boksene.
Da m? tidsskillet mellom hver eneste beregning i boksene v?re s? lite som et titusendels sekund. Da kan du kanskje tenke deg hvor mange ganger modellen m? oppdateres for ? kunne simulere hva som skjer i solen i l?pet av noen timer, et ?r eller gjennom hele solens syklus p? 11 ?r.
For ? simulere solen i elleve ?r m? modellen oppdateres tre billioner ganger. Det er ikke sm?tterier. En billion er tusen milliarder. Med tanke p? de enormt tunge beregningene som m? skje i hver boks for hver tidsenhet, kan du kanskje forst? hvorfor det tar sv?rt mye tid ? simulere hvordan solen fungerer.
Lure triks
Trikset til forskerne er ? lage ligninger som reduserer hastigheten p? Alfven-b?lgene, samtidig som ligningene likevel viser det samme. Men her er det viktig ? ha tungen rett i munnen. Hastigheten m? ikke reduseres for mye.
– Hvis vi tuller med fysikken, kan vi skape nye problemer, poengterer Hansteen.
Det andre trikset deres er ? forenkle b?lgelengdene i lysspekteret. Dette er en gammel teknikk fra ?ttitallet.
– For ? finne ut av hvor mye energi solen taper, m? vi se p? hver eneste b?lgelengde i hele lysspekteret. Det finnes mange millioner b?lgelengder. De kan sorteres i fire grupper. Da kan vi l?se ligninger for bare disse fire gruppene fremfor millioner av b?lgelengder.
Modellen til Hansteen inneholder 50 millioner bokser. Tidsskalaen hans er ett millisekund. Han bruker den nye tungregnemaskinen til UNINETT Sigma2, som er plassert p? NTNU. Her kj?rer han programmet parallelt p? 10 000 prosessorer – samtidig. Selv om programmet hans kj?res 10 000 ganger raskere enn p? en vanlig datamaskin, tar det likevel mye tid.
For hver simulering av hva som skjer p? solen i ett millisekund, bruker tungregnemaskinen halvannet sekund. Noen av kj?ringene varer s? lenge som ett ?r. Med rask hoderegning er det lett ? beregne at den superraske maskinen i Trondheim trenger ett ?r for ? beregne hva som skjer p? solen i l?pet av seks timer.
Fransk hjelp
Frem til i dag har de norske forskerne m?ttet gjette hvor stort magnetfeltet er fra den indre delen av solen. Takket v?re det nye 澳门葡京手机版app下载et deres med de tre andre forskningsinstitusjonene i Europa, skal de norske astrofysikerne n? f? mer eksakte verdier p? disse magnetfeltene.
Den ene 澳门葡京手机版app下载spartneren deres er Saclay-senteret i Frankrike. Franskmennene forsker p? hvordan magnetfeltet blir til inne i solen. De har laget en sv?r modell av solens indre, men svakheten med modellen deres er at ligningene deres ikke fungerer for str?ling n?r opp til solens overflate. De har derfor ikke klart ? modellere de ytre delene av solen.
Og da kan leseren kanskje tenke seg: Her er det to internasjonale forskerteam som sliter med hver sin bit. De norske har en modell for solatmosf?ren, mens de franske har en modell for solens indre.
Det var da de tenkte:
– Her er det store muligheter for et 澳门葡京手机版app下载. Mens vi f?r data om magnetfeltet fra franskmennene, f?r de beskrivelsen av str?lingen i den ytre delen av solen som de kan putte inn i modellene sine.
Problemet er at de to modellene ikke ber?rer hverandre. Den norske modellen g?r bare ned til 10 000 kilometer under solens overflate, mens den franske modellen ikke g?r h?yere opp enn 14 000 kilometer under overflaten.
De norske modellene m? derfor i f?rste runde utvides til ? g? lenger ned i solen, slik at modellene kan m?te hverandre. De norske forskerne pr?ver n? ? komme s? langt ned som 20 000 kilometer under solens overflate.
– Hvorfor i alle dager er det s? vanskelig ? utvide modellen til ? g? dypere ned i solen?
– Variasjonen i beregningene v?re blir mye mindre jo lenger ned i solen vi kommer. Vi m? derfor regne med mye h?yere presisjon.
Da tar beregningene dobbelt s? lang tid i datamaskinen.
Det h?res kanskje ikke s? vanskelig ut, men ettersom det allerede i dag tar flere m?neder ? kj?re simuleringsmodellen p? landets raskeste datamaskin, kan leseren kanskje tenke seg at det blir et praktisk problem n?r de m? beslaglegge tungregnemaskinen dobbelt s? lenge.
Tretrinns 澳门葡京手机版app下载
Samarbeidet med franskmennene skjer over tre trinn. Det f?rste trinnet er at de f?r informasjon om franskmennenes beregninger om magnetfeltet og f?rer dette inn i modellen ved UiO. De skal alts? f? modellene til ? overlappe hverandre og utveksle data manuelt.
Det neste trinnet er ? koble modellene sammen slik at de to programmene sender data til hverandre.
Det tredje og siste trinnet er ? programmere alt fra bunnen av og lage en helt ny modell av solen fra innerst til ytterst, der de tar hensyn til ?rubb og rake?.
– Vi vet hvordan vi skal koble modellene sammen, men det er likevel en del tekniske problemer. Vi m? finne riktig skrutrekker og hammer. Dette blir en slags mekanikerjobb. Den felles modellen m? takle ulike oppl?sninger og ulike ligninger.
Tysk lydhjelp
En viktig del av den matematiske modellen er ? se p? lydb?lgene i solen. Du stusser kanskje p? at vi snakker om lydb?lger i solen? N?r gass presses sammen, utvider den seg og presser vekk gassen ved siden av seg. Da oppst?r det en trykkb?lge. En trykkb?lge er det samme som en lydb?lge. Hastigheten p? disse lydb?lgene er avhengig av temperatur og gasstype.
Hver gang det oppst?r undertrykk eller overtrykk, vil det oppst? lydb?lger for ? jevne ut trykkforskjellene. Lydb?lgene kommer fra den indre delen av solen. N?r de treffer overflaten, spretter de ned igjen. Ved ? se p? de forskjellige lydb?lgene kan forskerne f? et bilde av hvordan det ser ut inne i solen og hvor varmt det er.
– Vi kan da lage et kart over temperaturstrukturen i solen, sier Hansteen.
Denne forskningen kalles for helioseismologi og er ingen heksekunst. Det ? studere lydb?lger som forplanter seg i solens indre, bygger p? det samme prinsippet som n?r jordm?drene bruker ultralyd til ? se hvordan fosteret har det i magen. Her har de norske forskerne et 澳门葡京手机版app下载 med Max-Planck-instituttet i Tyskland.
Trenger raskere datamaskin
Den nye tredimensjonale modellen av solen blir s? enorm at de m? kj?re p? en superrask tungregnemaskin med flere millioner dataprosessorer samtidig – eller kjerner, som forskerne kaller det. En slik maskin finnes ikke i dag.
– Slike maskiner krever helt andre m?ter ? programmere p?. Hvis det skulle skje en feil i en kjerne, kan vi ikke risikere at hele programmet stopper opp. Den dagen fremtidsmaskinen er klar, vil det v?re mulig ? analysere solen p? noen m?neder.
Det betyr:
– Selv om maskinen er superrask, tar det millioner av ?r ? gjennomf?re beregningene hvis ligningene i modellen skal brukes som de er. Vi m? derfor v?re smarte. Ellers tar kj?ringene for mye tid. Det handler derfor ikke bare om ? finne noen som er gode til ? programmere. Vi er ogs? n?dt til ? forenkle ligningene. De norske forskerne har dessuten inng?tt 澳门葡京手机版app下载 med St. Andrews-universitetet i Skottland. De har spesialisert seg p? ? se p? bevegelsene mellom de ulike lagene i solen.
Samler solobservasjoner
Det er ikke nok med en god modell. Forskerne trenger ogs? s? mange data som mulig for ? kunne bekrefte at modellen er riktig.
En av de viktigste informasjonskildene blir romsonden Solar Orbiter, som ble skutt opp i februar i fjor. Den er et 澳门葡京手机版app下载 mellom ESA og NASA. Om to ?r er romsonden kommet i samme avstand fra solen som planeten Merkur. Her vil det v?re s? varmt at instrumentene ikke vil kunne klare ? ta normale bilder. Romsonden kan derimot m?le partikler og magnetfelt. Takket v?re romsonden kan forskerne dessuten, for f?rste gang, samle inn observasjoner fra polomr?dene p? solen.
De skal ogs? hente inn nye data fra de to solobservatoriene p? Kanari?yene.
Vil forst? verden
– Hvorfor er denne forskningen s? viktig?
– Vi mennesker vil forst? verden. Vi utvikler en del beregningsmetoder og m?ter ? angripe store numeriske problemer p?. Der har astrofysikken v?rt en stor p?driver. Metodene vi bruker for ? beregne solvinden, er de samme som brukes til ? beregne oljereservoarer, sier Viggo Hansteen.
P? sp?rsm?l om hvorfor forskningen deres er nyttig, svarer Mats Carlsson:
– Vi leter etter den grunnleggende forst?elsen av naturen rundt oss. Solen har stor betydning for oss mennesker. 澳门葡京手机版app下载en er viktig for ? forst? livsbetingelsene p? Jorda. Vi jobber med ? skj?nne soleksplosjoner og magnetisme og hvordan det hele passer inn i det store puslespillet. Dette er grunnforskning. Nytteeffekten ligger langt frem.