Hvorfor syder Solens korona ved en million grader F? Team af fysikere afdækker spor

Solens korona, usynlig for det menneskelige øje, undtagen når det kortvarigt vises som en brændende glorie af plasma under en solformørkelse, forbliver et puslespil selv for videnskabsmænd, der studerer det nøje. Beliggende 1, 300 miles fra stjernens overflade, det er mere end hundrede gange varmere end lavere lag meget tættere på fusionsreaktoren i Solens kerne.

Et team af fysikere, ledet af NJIT's Gregory Fleishman, har for nylig opdaget et fænomen, der kan begynde at løse det, de kalder "en af ​​de største udfordringer for solmodellering" - at bestemme de fysiske mekanismer, der opvarmer den øvre atmosfære til 1 million grader Fahrenheit (500, 000 grader Celsius) og højere. Deres resultater, som står for tidligere uopdaget termisk energi i koronaen, blev for nylig offentliggjort i den 123-årige Astrofysisk tidsskrift , hvis redaktører har inkluderet grundlæggende rumforskere som Edwin Hubble.

"Vi vidste, at der sker noget virkelig spændende ved grænsefladen mellem fotosfæren - Solens overflade - og koronaen, i betragtning af de mærkbare forskelle i den kemiske sammensætning mellem de to lag og den kraftige stigning i plasmatemperaturerne i dette kryds, " bemærker Fleishman, en fremtrædende forskningsprofessor i fysik.

Med en række observationer fra NASAs rumbaserede Solar Dynamics Observatory (SDO), holdet har afsløret områder i koronaen med forhøjede niveauer af tungmetalioner indeholdt i magnetiske fluxrør - koncentrationer af magnetiske felter - som fører en elektrisk strøm. Deres levende billeder, fanget i det ekstreme (kortbølge) ultraviolette (EUV) bånd, afsløre uforholdsmæssigt store - med en faktor på fem eller mere - koncentrationer af flerdobbelt ladede metaller sammenlignet med enkeltelektronioner af brint, end der findes i fotosfæren.

Jernionerne befinder sig i, hvad holdet kalder "ionfælder" placeret ved bunden af ​​koronale sløjfer, buer af elektrificeret plasma rettet af magnetiske feltlinjer. Eksistensen af ​​disse fælder, de siger, indebærer, at der er meget energiske koronale sløjfer, udtømt for jernioner, som hidtil har unddraget sig detektion i EUV-området. Kun metalioner, med deres fluktuerende elektroner, producere emissioner, der gør dem synlige.

"Disse observationer tyder på, at koronaen kan indeholde endnu mere termisk energi, end der direkte observeres i EUV-området, og som vi endnu ikke har taget højde for, " siger han. "Denne energi er synlig i andre bølgelængder, imidlertid, og vi håber at kombinere vores data med videnskabsmænd, der ser dem gennem mikrobølger og røntgenstråler, såsom forskere ved NJIT's Expanded Owens Valley Solar Array, for eksempel, for at afklare uoverensstemmelser i energi, som vi hidtil har været i stand til at kvantificere."

Der er forskellige teorier, endnu ingen afgørende, som forklarer koronaens sydende varme:magnetiske energilinjer, der genforbindes i den øvre atmosfære og frigiver eksplosiv energi og energibølger dumpet i koronaen, hvor de omdannes til termisk energi, blandt andre.

"Før vi kan adressere, hvordan energi genereres i koronaen, vi skal først kortlægge og kvantificere dens termiske struktur, " bemærker Fleishman.

"Det, vi ved om koronaens temperatur, kommer fra måling af EUV-emissioner produceret af tunge ioner i forskellige ioniseringstilstande, som afhænger af deres koncentrationer, samt plasmatemperatur og tæthed, " tilføjer han. "Den uensartede fordeling af disse ioner i rum og tid ser ud til at påvirke temperaturen af ​​koronaen."

Metalionerne kommer ind i koronaen, når soludbrud af forskellig størrelse ødelægger fælderne, og de fordampes til fluxsløjfer i den øvre atmosfære.

Energifrigivelser i soludbrud og tilhørende former for udbrud opstår, når magnetfeltlinjer, med deres kraftige underliggende elektriske strømme, er snoet ud over et kritisk punkt, der kan måles ved antallet af drejninger i vridningen. Det største af disse udbrud forårsager det, der er kendt som rumvejr - strålingen, energiske partikler og magnetiske felter frigives fra Solen, der er kraftige nok til at forårsage alvorlige virkninger i Jordens nære miljø, såsom afbrydelse af kommunikation, elledninger og navigationssystemer.

Det er kun gennem de seneste fremskridt inden for billeddannelsesevner, at solforskere nu kan tage rutinemæssige målinger af fotosfæriske magnetfeltvektorer, hvorfra de kan beregne den vertikale komponent af elektriske strømme, og, samtidigt, kvantificere EUV-emissionerne produceret af tunge ioner.

"Før disse observationer, vi har kun taget højde for de koronale løkker fyldt med tunge ioner, men vi kunne ikke redegøre for fluxrør, der var udtømt for dem, " Fleishman says. "Now all of these poorly understood phenomena have a solid physical foundation that we can observe. We are able to better quantify the corona's thermal structure and gain a clearer understanding of why ion distribution in the solar atmosphere is non-uniform in space and variable in time."

Scientists at NJIT's Big Bear Solar Observatory (BBSO) have captured the first high-resolution images of magnetic fields and plasma flows originating deep below the Sun's surface, tracing the evolution of sunspots and magnetic flux ropes through the chromosphere before their dramatic appearance in the corona as flaring loops.

EUV emissions, imidlertid, can only be observed from space. The SDO, aboard a spacecraft launched in 2010, measures both magnetic field and EUV emissions from the whole Sun. The implications of the corona's temperature structure, and whether it allows the Sun to transfer more heat into the solar system, "is the subject of future study, " Fleishman says.