Et fænomen, der for første gang blev opdaget i solvinden, kan være med til at løse et mangeårigt mysterium om solen: hvorfor solens atmosfære er millioner af grader varmere end overfladen.

Billeder fra IRIS (Interface Region Imaging Spectrograph) og AIA (Atmospheric Imaging Assembly), der er i kredsløb om Jorden, viser beviser for, at lavtliggende magnetiske loops opvarmes til millioner af grader Kelvin.

Forskerne argumenterer for, at tungere ioner som f.eks. silicium fortrinsvis opvarmes i både solvinden og i overgangsregionen mellem solens kromosfære og korona.

Der er sløjfer af magnetiseret plasma kontinuerligt i lysbuer, ikke ulig deres fætre i koronaen ovenover. De er meget mindre og svære at analysere, men man har længe troet, at de rummer den magnetisk drevne mekanisme, der frigiver energiudbrud i form af nanoflares.

Solfysikeren Stephen Bradshaw fra Rice University og hans kolleger var blandt dem, der havde den mistanke, men ingen havde tilstrækkelige beviser før IRIS.

Det højtflyvende spektrometer blev bygget specifikt til at observere overgangsregionen. I undersøgelsen, der udkommer i Nature Astronomy, beskriver forskerne “lysninger” i de genforbindende sløjfer, der indeholder stærke spektrale signaturer af ilt og især tungere siliciumioner.

Teamet bestående af Bradshaw, hans tidligere studerende og hovedforfatter Shah Mohammad Bahauddin, der nu er forskningsfakultetsmedlem ved Laboratory for Atmospheric and Space Physics ved University of Colorado Boulder, og NASA’s astrofysiker Amy Winebarger studerede IRIS-billeder, der er i stand til at opløse detaljerne i disse loops i overgangsregionen og påvise lommer af supervarmt plasma. Billederne giver dem mulighed for at analysere ionernes bevægelser og temperaturer i løkkerne via det lys, de udsender, der aflæses som spektrallinjer, der fungerer som kemiske “fingeraftryk”.”

“Det er i emissionslinjerne, at al fysikken er indpræget”, siger Bradshaw, der er lektor i fysik og astronomi. “Ideen var at lære, hvordan disse små strukturer opvarmes, og håbe på at kunne sige noget om, hvordan selve koronaen opvarmes. Dette kan være en allestedsnærværende mekanisme, der fungerer i hele solatmosfæren.”

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

På hot-spottene fandt de, at genforbindende jets indeholdende siliciumioner bevægede sig mod (blåforskudt) og væk (rødforskudt) fra observatøren (IRIS) med hastigheder på op til 100 kilometer i sekundet. Der blev ikke registreret noget Doppler-skift for de lettere ilt-ioner.

Forskerne undersøgte to komponenter af mekanismen: hvordan energien kommer ud af magnetfeltet, og derefter hvordan den rent faktisk opvarmer plasmaet.

Overgangsregionen er kun omkring 10.000 grader Fahrenheit, men konvektion på solens overflade påvirker sløjferne og vrider og fletter de tynde magnetiske tråde, der udgør dem, og tilføjer energi til de magnetfelter, der i sidste ende opvarmer plasmaet, siger Bradshaw. “IRIS-observationerne viste, at denne proces finder sted, og vi er rimelig sikre på, at i det mindste et af svarene på den første del er gennem magnetisk rekonnektion, som jets er en vigtig signatur for,” siger han.

I denne proces bryder plasmastrengenes magnetfelter og forbindes igen på fletningsstederne til lavere energitilstande, hvorved der frigives oplagret magnetisk energi. Hvor dette sker, bliver plasmaet overophedet.

Men hvordan den frigjorte magnetiske energi opvarmer plasmaet, har indtil nu været en gåde. “Vi kiggede på de områder i disse små loop-strukturer, hvor der fandt rekonnektion sted, og målte emissionslinjerne fra ionerne, hovedsageligt silicium og oxygen,” siger han. “Vi fandt ud af, at siliciumionernes spektrallinjer var meget bredere end oxygenionernes.”

Det indikerede, at siliciumionerne foretrækkes at blive opvarmet. “Vi var nødt til at forklare det,” siger Bradshaw. “Vi kiggede og tænkte, og det viste sig, at der er en kinetisk proces kaldet ioncyklotronopvarmning, der favoriserer opvarmning af tunge ioner frem for lettere ioner.”

Han siger, at ioncyklotronbølger genereres på genforbindelsesstederne. De bølger, der bæres af de tungere ioner, er mere modtagelige for en ustabilitet, der får bølgerne til at “bryde” og generere turbulens, som spreder og energigiver ionerne. Dette udvider deres spektrallinjer ud over, hvad man ville forvente ud fra den lokale temperatur i plasmaet alene. I tilfælde af de lettere ioner er der måske ikke nok energi tilbage til at opvarme dem. “Ellers overskrider de ikke den kritiske hastighed, der er nødvendig for at udløse ustabiliteten, som er hurtigere for lettere ioner,” siger han.

“I solvinden er tungere ioner betydeligt varmere end lettere ioner,” siger Bradshaw. “Det er blevet målt endeligt. Vores undersøgelse viser for første gang, at dette også er en egenskab ved overgangsregionen og derfor kan bestå i hele atmosfæren på grund af den mekanisme, vi har identificeret, herunder opvarmning af solkoronaen, især fordi solvinden er en manifestation af koronaen, der udvider sig til det interplanetariske rum.”

Det næste spørgsmål, siger Bahauddin, er, om sådanne fænomener sker med samme hastighed over hele solen. “Svaret er højst sandsynligt nej,” siger han. “Så er spørgsmålet, hvor meget de bidrager til problemet med koronal opvarmning. Kan de levere tilstrækkelig energi til den øvre atmosfære, så den kan opretholde en korona på flere millioner grader?

“Det, vi har vist for overgangsregionen, var en løsning på en vigtig brik i puslespillet, men det store billede kræver, at flere brikker falder på det rigtige sted,” siger Bahauddin. “Jeg tror, at IRIS vil være i stand til at fortælle os om de kromosfæriske brikker i den nærmeste fremtid. Det vil hjælpe os med at opbygge en samlet og global teori om solens atmosfære.”