Forskere får besked på solens supervarme atmosfære

Et fænomen, der først blev opdaget i solvinden, kan hjælpe med at løse et mangeårigt mysterium om solen:hvorfor solatmosfæren er millioner af grader varmere end overfladen.

Billeder fra den Jord-kredsløbende Interface Region Imaging Spectrograph, alias IRIS, og Atmospheric Imaging Assembly, aka AIA, vise bevis for, at lavtliggende magnetsløjfer opvarmes til millioner af grader Kelvin.

Forskere ved Rice University, University of Colorado Boulder og NASAs Marshall Space Flight Center gør det tilfældet, at tungere ioner, såsom silicium, opvarmes fortrinsvis i både solvinden og i overgangsområdet mellem solens kromosfære og korona.

der, sløjfer af magnetiseret plasma buer kontinuerligt, ikke ulig deres fætre i coronaen ovenfor. De er meget mindre og svære at analysere, men har længe været tænkt at rumme den magnetisk drevne mekanisme, der frigiver energiudbrud i form af nanoflares.

Ris-solfysiker Stephen Bradshaw og hans kolleger var blandt dem, der mistænkte så meget, men ingen havde tilstrækkelige beviser før IRIS.

Det højtflyvende spektrometer blev bygget specielt til at observere overgangsområdet. I den NASA-finansierede undersøgelse, som optræder i Natur astronomi , forskerne beskriver "lysstyrker" i genforbindelsesløkkerne, der indeholder stærke spektrale signaturer af ilt og, især, tungere siliciumioner.

Teamet af Bradshaw, hans tidligere elev og hovedforfatter Shah Mohammad Bahauddin, nu medlem af forskningsfakultetet ved Laboratory for Atmospheric and Space Physics i Colorado, og NASA-astrofysiker Amy Winebarger studerede IRIS-billeder, der var i stand til at opløse detaljer i disse overgangsregionsløkker og detektere lommer af supervarmt plasma. Billederne giver dem mulighed for at analysere ionernes bevægelser og temperaturer i sløjferne via det lys, de udsender, læses som spektrallinjer, der tjener som kemiske "fingeraftryk".

"Det er i emissionslinjerne, hvor al fysik er indprentet, " sagde Bradshaw, en lektor i fysik og astronomi. "Idéen var at lære, hvordan disse små strukturer opvarmes og håbe på at sige noget om, hvordan koronaen selv opvarmes. Dette kan være en allestedsnærværende mekanisme, der virker i hele solatmosfæren."

Billederne afslørede hot-spot-spektre, hvor linjerne blev udvidet af termiske og Doppler-effekter, angiver ikke kun de elementer, der er involveret i nanoflammer, men også deres temperaturer og hastigheder.

På de varme steder, de fandt genforbindelsesstråler, der indeholdt siliciumioner, bevæget sig mod (blå-forskudt) og væk fra (rød-forskudt) observatøren (IRIS) med hastigheder op til 100 kilometer i sekundet. Der blev ikke detekteret noget Doppler-skift for de lettere oxygenioner.

Forskerne studerede to komponenter af mekanismen:hvordan energien kommer ud af magnetfeltet, og så hvordan det faktisk opvarmer plasmaet.

Overgangsregionen er kun omkring 10, 000 grader Fahrenheit, men konvektion på solens overflade påvirker løkkerne, vridning og fletning af de tynde magnetiske tråde, der udgør dem, og tilføjer energi til de magnetiske felter, der i sidste ende opvarmer plasmaet, sagde Bradshaw. "IRIS-observationerne viste, at processen finder sted, og vi er rimeligt sikre på, at mindst ét ​​svar på den første del er gennem magnetisk genforbindelse, hvoraf jetflyene er en nøglesignatur, " han sagde.

I den proces, plasmastrengenes magnetfelter brydes og genforbindes ved fletningssteder til lavere energitilstande, frigivelse af lagret magnetisk energi. Hvor dette finder sted, plasmaet bliver overophedet.

Men hvordan plasma opvarmes af den frigivne magnetiske energi har indtil nu været et puslespil. "Vi så på regionerne i disse små sløjfestrukturer, hvor genforbindelse fandt sted, og målte emissionslinjerne fra ionerne, primært silicium og ilt, " sagde han. "Vi fandt ud af, at siliciumionernes spektrallinjer var meget bredere end oxygenet."

Det indikerede foretrukken opvarmning af siliciumionerne. "Vi havde brug for at forklare det, " sagde Bradshaw. "Vi havde et kig og en overvejelse, og det viser sig, at der er en kinetisk proces kaldet ioncyklotronopvarmning, der favoriserer opvarmning af tunge ioner frem for lettere."

Han sagde, at ioncyklotronbølger genereres ved genforbindelsesstederne. Bølgerne båret af de tungere ioner er mere modtagelige for en ustabilitet, der får bølgerne til at "brække" og generere turbulens, som spreder og giver energi til ionerne. Dette udvider deres spektrallinjer ud over, hvad der ville forventes fra den lokale temperatur af plasmaet alene. I tilfælde af de lettere ioner, der kan være utilstrækkelig energi tilbage til at opvarme dem. "Ellers, de overskrider ikke den kritiske hastighed, der er nødvendig for at udløse ustabiliteten, hvilket er hurtigere for lettere ioner, " han sagde.

"I solvinden, tungere ioner er betydeligt varmere end lettere ioner, " sagde Bradshaw. "Det er blevet endeligt målt. Vores undersøgelse viser for første gang, at dette også er en egenskab for overgangsregionen, og kan derfor fortsætte i hele atmosfæren på grund af den mekanisme, vi har identificeret, herunder opvarmning af solkoronaen, især da solvinden er en manifestation af koronaens ekspansion til det interplanetariske rum."

Det næste spørgsmål, Bahauddin sagde, er, om sådanne fænomener sker med samme hastighed over hele solen. "Svaret er sandsynligvis nej, " sagde han. "Så er spørgsmålet, hvor meget bidrager de til problemet med koronal opvarmning? Kan de levere tilstrækkelig energi til den øvre atmosfære, så den kan opretholde en multimillion-graders corona?

"Det, vi har vist for overgangsregionen, var en løsning på en vigtig brik i puslespillet, but the big picture requires more pieces to fall in the right place, " Bahauddin said. "I believe IRIS will be able to tell us about the chromospheric pieces in the near future. That will help us build a unified and global theory of the sun's atmosphere."