Astrofysisk institutt – modell av solen

Det er tre store gåter ved solen – nå skal de avsløres

Astrofysikere planlegger nå verdens tyngste simulering – på en tungregnemaskin som ennå ikke er oppfunnet – for å avsløre solens tre store gåter.

Mats Carlsson har laget en simuleringsmodell av solen som viser hvordan magnetfeltet varmer opp solatmosfæren. Nå skal forskningsgruppen hans lage en enda mer presis simuleringsmodell.
Mats Carlsson har laget en simuleringsmodell av solen som viser hvordan magnetfeltet varmer opp solatmosfæren. Nå skal forskningsgruppen hans lage en enda mer presis simuleringsmodell. (Foto: Ola Sæther, Apollon)

Astrofysikere planlegger nå verdens tyngste simulering – på en tungregnemaskin som ennå ikke er oppfunnet – for å avsløre solens tre store gåter.

Selv om solen er den nærmeste og for oss mennesker den aller viktigste stjernen i universet, er tre av solens gåter fortsatt ikke løst.

– Den ene er hvorfor solatmosfæren er flere millioner grader varmere enn solens overflate. Den andre er hvorfor solvinden akselererer. Den tredje er hvorfor solen har en syklus på elleve år, forteller professor Mats Carlsson på Astrofysisk institutt ved Universitetet i Oslo. Han leder Rosselandsenteret, et senter for fremragende forskning som jobber med å fravriste solen dens store hemmeligheter.

Sammen med tre andre forskningsinstitusjoner i Europa skal UiO lage en helt ny tredimensjonal modell av solen. Forskningsprosjektet, som de har kalt for Whole Sun, skal gjøre det mulig å forstå mye bedre hvordan solen fungerer.

Mysteriene i solatmosfæren

De norske astrofysikerne er verdensledende i å modellere solatmosfæren. Solatmosfæren kan deles opp i fotosfæren, kromosfæren og koronaen. Det nederste laget, fotosfæren er den synlige overflaten på solen. Det midterste laget, kromosfæren, strekker seg 2500 kilometer opp fra fotosfæren. Det ytterste laget kalles koronaen. Den strekker seg et par millioner kilometer ut fra solen og er bare synlig ved totale solformørkelser. Da ser den ut som en blåhvit krans.

 

Solen er varmest i midten. Her snakker vi om 15,7 millioner grader celsius. Så blir det kaldere og kaldere jo lenger ut i periferien vi kommer. På soloverflaten har temperaturen falt til vel 6000 grader.

– Hvis solen bare hadde hatt én energikilde, ville temperaturen fortsatt ha falt utover i solatmosfæren.

Men det omvendte skjer. Temperaturen øker lenger ut i solatmosfæren. Vi snakker ikke bare om noen få graders oppvarming. I deler av solatmosfæren kan temperaturen bli på flere millioner grader.

Magnetfeltet varmer opp

Mats Carlsson har hele livet sitt forsket på dette besynderlige fenomenet.

– Magnetfeltet spiller hovedrollen for at deler av koronaen, altså den øvre delen av solatmosfæren, blir varmere, forteller Carlsson.

Forskergruppen hans har studert dette i mange år. Spesialet deres er en omfattende simuleringsmodell av solatmosfæren og det øverste laget av solen. Her viser de hvordan magnetfeltet, som strømmer opp fra solens indre, påvirker solatmosfæren.

Solstormer

  • Astrofysikerne ønsker mer kunnskap om hvorfor det oppstår solstormer.
  • Solstormene oppstår når energien i magnetfeltene overføres til gassene i solatmosfæren. Så slynges disse gassene ut mot Jorda.
  • Solstormer er ingen spøk. De kan lamme elektriske anlegg på Jorda. De to solstormene i 1859 og 1921 hadde vært katastrofale om de hadde skjedd i dag. Elektrisitetssystemet kan slås ut på svært kort tid.
  • Astrofysikere ved UiO har laget en svær simuleringsmodell om mekanismene bak solvinden. Nå skal de samarbeide med tre andre store forskningsinstitusjoner i Europa for bedre å forstå hva som skjer på solen.
  • For å komme til bunns i mysteriet om solstormer ønsker astrofysikerne å løse disse tre gåtene:
    – Hvorfor solatmosfæren er flere millioner grader varmere enn solens overflate.
    – Hvorfor solvinden akselererer.
    – Hvorfor solen har en syklus på elleve år.

Utfordringen er at de ikke vet hvor sterke magnetfeltene er når de kommer opp fra solens indre. Frem til i dag har løsningen deres vært å prøve seg frem med ulike inngangsverdier på magnetfeltet i simuleringsmodellen.

– Vi vet at magnetfeltet blir generert inne i solen, men vi skjønner ikke hvordan. På et eller annet vis greier solen å få til en slags dynamo i sitt indre. Tettheten av gasser blir mindre der magnetfeltet er. Da vil gassen sive oppover, forklarer professor Viggo Hansteen på Rosseland-senteret.

Spesialfeltet hans er å se på hvordan magnetfeltet kommer opp fra solen og inn i solatmosfæren. Dette er viktig å forske på. Soleksplosjoner skyldes magnetfeltet.

 

Magnetfeltet er blitt sterkt når det når fotosfæren. Da blir det værende der en stund. Når det er dannet en viss mengde magnetfelt, vil det fortsette ut i den ytre solatmosfæren.

Oppe i kromosfæren, et par tusen kilometer over fotosfæren, inneholder magnetfeltene mer energi enn gassene.

– Hver gang det skjer en liten gnisning i magnetfeltet, vil vi få den samme effekten som når du dytter to Brio-tog med samme magnetpoler mot hverandre. Magnetfeltet får derfor ting til å bevege seg raskt. Ettersom magnetfeltet danner strøm og det er lite gass i atmosfæren, vil energien fra magnetfeltet varme opp den lille gassen, forklarer Hansteen.

Omfattende simuleringer

Denne rare mekanismen forklarer hvorfor magnetfeltet varmer opp solatmosfæren. For å vise dette har forskerne laget en simuleringsmodell. En simuleringsmodell er et program på datamaskinen der forskerne kan simulere hvordan magnetfeltene endrer temperaturen i atmosfæren over tid.

Det er ikke lett å lage en slik modell. For å klare dette har forskerne delt opp deler av solen og solens atmosfære i svært mange små bokser. I hver av boksene gjøres det beregninger på slike ting som magnetfelt, energi, stråling og temperatur.

Det ideelle hadde vært å dele opp solen og solatmosfæren i så små bokser at sidene på boksene bare er et par kilometer brede, men med tanke på at radiusen på solen er 700 000 kilometer og at solatmosfæren strekker seg flere millioner kilometer utover, kan du kanskje tenke deg at modellen trenger svært mange bokser.

Forskerne må dessuten ta hensyn til en annen viktig detalj. For å kunne beregne alt som skjer når magnetfeltet beveger seg mellom boksene, må tidsenheten mellom hver eneste beregning i boksene være så liten at forskerne kan beregne bevegelsen til magnetfeltet gjennom hver eneste boks. Problemet er at vi snakker om enorme hastigheter.

Lydbølgene her på Jorda har en hastighet på vel 1000 kilometer i timen. Det er ingenting i forhold til hva som skjer i solen.

 

– Magnetbølgene i solatmosfæren kan bevege seg så raskt som 10 000 kilometer i sekundet.

Det er noen millioner ganger raskere enn lydbølgene på Jorda. Disse magnetbølgene kalles for Alfven-bølger, oppkalt etter den svenske fysikeren Hannes Olof Gösta Alfven, som fikk nobelprisen i fysikk i 1970.

Så for å være helt sikker på at du har fått med deg poenget:

Når Alfven-bølgene beveger seg gjennom boksene i modellen, er det viktig at tidsangivelsen mellom hver eneste beregning er så presis at forskerne kan følge med på hva som skjer i alle boksene.

 Da må tidsskillet mellom hver eneste beregning i boksene være så lite som et titusendels sekund. Da kan du kanskje tenke deg hvor mange ganger modellen må oppdateres for å kunne simulere hva som skjer i solen i løpet av noen timer, et år eller gjennom hele solens syklus på 11 år.

For å simulere solen i elleve år må modellen oppdateres tre billioner ganger. Det er ikke småtterier. En billion er tusen milliarder. Med tanke på de enormt tunge beregningene som må skje i hver boks for hver tidsenhet, kan du kanskje forstå hvorfor det tar svært mye tid å simulere hvordan solen fungerer.

Lure triks

Trikset til forskerne er å lage ligninger som reduserer hastigheten på Alfven-bølgene, samtidig som ligningene likevel viser det samme. Men her er det viktig å ha tungen rett i munnen. Hastigheten må ikke reduseres for mye.

– Hvis vi tuller med fysikken, kan vi skape nye problemer, poengterer Hansteen.

Det andre trikset deres er å forenkle bølgelengdene i lysspekteret. Dette er en gammel teknikk fra åttitallet.

– For å finne ut av hvor mye energi solen taper, må vi se på hver eneste bølgelengde i hele lysspekteret. Det finnes mange millioner bølgelengder. De kan sorteres i fire grupper. Da kan vi løse ligninger for bare disse fire gruppene fremfor millioner av bølgelengder.

Modellen til Hansteen inneholder 50 millioner bokser. Tidsskalaen hans er ett millisekund. Han bruker den nye tungregnemaskinen på NTNU. Her kjører han programmet parallelt på 10 000 prosessorer – samtidig. Selv om programmet hans kjøres 10 000 ganger raskere enn på en vanlig datamaskin, tar det likevel mye tid.

For hver simulering av hva som skjer på solen i ett millisekund, bruker tungregnemaskinen halvannet sekund. Noen av kjøringene varer så lenge som ett år. Med rask hoderegning er det lett å beregne at den superraske maskinen i Trondheim trenger ett år for å beregne hva som skjer på solen i løpet av seks timer.

Les også

Fransk hjelp

Frem til i dag har de norske forskerne måttet gjette hvor stort magnetfeltet er fra den indre delen av solen. Takket være det nye samarbeidet deres med de tre andre forskningsinstitusjonene i Europa, skal de norske astrofysikerne nå få mer eksakte verdier på disse magnetfeltene.

Den ene samarbeidspartneren deres er Saclay-senteret i Frankrike. Franskmennene forsker på hvordan magnetfeltet blir til inne i solen. De har laget en svær modell av solens indre, men svakheten med modellen deres er at ligningene deres ikke fungerer for stråling nær opp til solens overflate. De har derfor ikke klart å 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 solatmosfæren, mens de franske har en modell for solens indre.

Det var da de tenkte:

– Her er det store muligheter for et samarbeid. Mens vi får data om magnetfeltet fra franskmennene, får de beskrivelsen av strålingen i den ytre delen av solen som de kan putte inn i modellene sine.

Problemet er at de to modellene ikke berører hverandre. Den norske modellen går bare ned til 10 000 kilometer under solens overflate, mens den franske modellen ikke går høyere opp enn 14 000 kilometer under overflaten.

De norske modellene må derfor i første runde utvides til å gå lenger ned i solen, slik at modellene kan møte hverandre. De norske forskerne prøver nå å komme så langt ned som 20 000 kilometer under solens overflate.

– Hvorfor i alle dager er det så vanskelig å utvide modellen til å gå dypere ned i solen?

– Variasjonen i beregningene våre blir mye mindre jo lenger ned i solen vi kommer. Vi må derfor regne med mye høyere presisjon.

Da tar beregningene dobbelt så lang tid i datamaskinen.

Det høres kanskje ikke så vanskelig ut, men ettersom det allerede i dag tar flere måneder å kjøre simuleringsmodellen på landets raskeste datamaskin, kan leseren kanskje tenke seg at det blir et praktisk problem når de må beslaglegge tungregnemaskinen dobbelt så lenge.

Tretrinns samarbeid

Samarbeidet med franskmennene skjer over tre trinn. Det første trinnet er at de får informasjon om franskmennenes beregninger om magnetfeltet og fôrer dette inn i modellen ved UiO. De skal altså få modellene til å overlappe hverandre og utveksle data manuelt.

Det neste trinnet er å koble modellene sammen slik at de to programmene sender data til hverandre.

Det tredje og siste trinnet er å 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 må finne riktig skrutrekker og hammer. Dette blir en slags mekanikerjobb. Den felles modellen må takle ulike oppløsninger og ulike ligninger.

Tysk lydhjelp

En viktig del av den matematiske modellen er å se på lydbølgene i solen. Du stusser kanskje på at vi snakker om lydbølger i solen? Når gass presses sammen, utvider den seg og presser vekk gassen ved siden av seg. Da oppstår det en trykkbølge. En trykkbølge er det samme som en lydbølge. Hastigheten på disse lydbølgene er avhengig av temperatur og gasstype.

Hver gang det oppstår undertrykk eller overtrykk, vil det oppstå lydbølger for å jevne ut trykkforskjellene. Lydbølgene kommer fra den indre delen av solen. Når de treffer overflaten, spretter de ned igjen. Ved å se på de forskjellige lydbølgene kan forskerne få 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 å studere lydbølger som forplanter seg i solens indre, bygger på det samme prinsippet som når jordmødrene bruker ultralyd til å se hvordan fosteret har det i magen. Her har de norske forskerne et samarbeid med Max-Planck-instituttet i Tyskland.

Trenger raskere datamaskin

Den nye tredimensjonale modellen av solen blir så enorm at de må kjøre på 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 måter å programmere på. 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 være mulig å analysere solen på noen måneder.

Det betyr:

– Selv om maskinen er superrask, tar det millioner av år å gjennomføre beregningene hvis ligningene i modellen skal brukes som de er. Vi må derfor være smarte. Ellers tar kjøringene for mye tid. Det handler derfor ikke bare om å finne noen som er gode til å programmere. Vi er også nødt til å forenkle ligningene. De norske forskerne har dessuten inngått samarbeid med St. Andrews-universitetet i Skottland. De har spesialisert seg på å se på bevegelsene mellom de ulike lagene i solen.

Les også

Samler solobservasjoner

Det er ikke nok med en god modell. Forskerne trenger også så mange data som mulig for å 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 samarbeid mellom ESA og NASA. Om to år er romsonden kommet i samme avstand fra solen som planeten Merkur. Her vil det være så varmt at instrumentene ikke vil kunne klare å ta normale bilder. Romsonden kan derimot måle partikler og magnetfelt. Takket være romsonden kan forskerne dessuten, for første gang, samle inn observasjoner fra polområdene på solen.

De skal også hente inn nye data fra de to solobservatoriene på Kanariøyene.

Vil forstå verden

– Hvorfor er denne forskningen så viktig?

– Vi mennesker vil forstå verden. Vi utvikler en del beregningsmetoder og måter å angripe store numeriske problemer på. Der har astrofysikken vært en stor pådriver. Metodene vi bruker for å beregne solvinden, er de samme som brukes til å beregne oljereservoarer, sier Viggo Hansteen.

På spørsmål om hvorfor forskningen deres er nyttig, svarer Mats Carlsson:

– Vi leter etter den grunnleggende forståelsen av naturen rundt oss. Solen har stor betydning for oss mennesker. Forskningen er viktig for å forstå livsbetingelsene på Jorda. Vi jobber med å skjønne soleksplosjoner og magnetisme og hvordan det hele passer inn i det store puslespillet. Dette er grunnforskning. Nytteeffekten ligger langt frem.

Artikkelen ble først publisert av Apollon.

Les også

Kommentarer (3)

Kommentarer (3)

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå