Aurinkotuulessa ensi kertaa havaittu ilmiö voi auttaa ratkaisemaan pitkään jatkuneen mysteerin Auringosta: miksi Auringon ilmakehä on miljoonia asteita lämpimämpi kuin sen pinta.

Maata kiertävän Interface Region Imaging Spectrographin (IRIS) ja Atmospheric Imaging Assemblyn (AIA) kuvat osoittavat todisteita siitä, että matalalla olevat magneettisilmukat kuumenevat miljooniin kelvinasteisiin.

Tutkijat esittävät, että raskaammat ionit, kuten pii, kuumenevat etupäässä sekä aurinkotuulessa että Auringon kromosfäärin ja koronan välisellä siirtymäalueella.

Siellä magnetoituneen plasman silmukat kaareutuvat yhtäjaksoisesti, aivan kuten serkkunsa yläpuolella koronassa. Ne ovat paljon pienempiä ja vaikeasti analysoitavia, mutta niiden on jo pitkään ajateltu kätkevän sisäänsä magneettivetoisen mekanismin, joka vapauttaa energiapurkauksia nanopalojen muodossa.

Rice-yliopiston aurinkofyysikko Stephen Bradshaw kollegoineen kuului niihin, jotka epäilivät samaa, mutta kenelläkään ei ollut riittäviä todisteita ennen IRIS-järjestelmää.

Korkealla lentävä spektrometri rakennettiin nimenomaan siirtymävaiheen havainnoimista varten. Nature Astronomy -lehdessä ilmestyvässä tutkimuksessa tutkijat kuvaavat jälleenkytkeytyvissä silmukoissa esiintyviä ”kirkastumia”, jotka sisältävät voimakkaita hapen ja erityisesti raskaampien pii-ionien spektrisiä merkkejä.

Ryhmä, johon kuuluivat Bradshaw, hänen entinen oppilaansa ja pääkirjoittaja Shah Mohammad Bahauddin, joka nykyään työskentelee tutkijana Coloradon Boulderin yliopiston ilmakehä- ja avaruusfysiikan laboratoriossa, ja NASAn astrofyysikko Amy Winebarger, tutki IRIS-kuvauksia, joilla pystyttiin ratkaisemaan näiden siirtymäalueen silmukoiden yksityiskohtia ja havaitsemaan superkuumia plasmataskuja. Kuvien avulla he voivat analysoida silmukoiden sisällä olevien ionien liikkeitä ja lämpötiloja niiden emittoiman valon avulla, joka on luettavissa spektriviivoina, jotka toimivat kemiallisina ”sormenjälkinä”.

”Juuri emissioviivoissa on kaikki fysiikka”, sanoo fysiikan ja tähtitieteen apulaisprofessori Bradshaw. ”Ajatuksena oli oppia, miten nämä pienet rakenteet kuumenevat, ja toivoa voivamme sanoa jotain siitä, miten itse korona kuumenee. Tämä saattaa olla ubiikki mekanismi, joka toimii kaikkialla Auringon ilmakehässä.”

Kuvat paljastavat kuumien pisteiden spektrit, joissa viivat olivat lämpö- ja Doppler-ilmiöiden laajentamia, mikä osoittaa nanopaloissa mukana olevien alkuaineiden lisäksi myös niiden lämpötiloja ja nopeuksia.

Kuvissa havaittiin, että kuumien pisteiden kohdalla pii-ioneja sisältävät, uudestaan kytkeytyvät suihkut liikkuivat tarkkailijaa (IRIS:iä) kohti (sinisensiirtymällä) ja poispäin tarkkailijasta (punaista siirtymää) nopeuksilla, jotka voivat nousta jopa sataan kilometriin sekunnissa. Kevyemmille happi-ioneille ei havaittu Doppler-siirtymää.

Tutkijat tutkivat mekanismin kahta osatekijää: sitä, miten energia pääsee ulos magneettikentästä, ja sitten sitä, miten se itse asiassa lämmittää plasmaa.

Vaihettumisalue on vain noin 10 000 celsiusastetta, mutta konvektio Auringon pinnalla vaikuttaa silmukoihin kiertämällä ja punomalla ohuita magneettisäikeitä, jotka koostuvat silmukoiden muodostamista magneettisäikeistä, ja lisäämällä energiaa magneettikenttään, joka viime kädessä lämmittää plasman, Bradshaw kertoo. ”IRIS-havainnot osoittivat, että tämä prosessi on käynnissä, ja olemme melko varmoja, että ainakin yksi vastaus ensimmäiseen osaan on magneettinen jälleenkytkeytyminen, josta suihkut ovat keskeinen merkki”, hän sanoo.

Tässä prosessissa plasmasäikeiden magneettikentät katkeavat ja kytkeytyvät uudelleen punontakohdissa alempiin energiatiloihin, jolloin varastoitunutta magneettista energiaa vapautuu. Siellä missä tämä tapahtuu, plasma ylikuumenee.

Mutta se, miten vapautuva magneettinen energia lämmittää plasmaa, on pysynyt tähän asti arvoituksena. ”Katsoimme näissä pienissä silmukkarakenteissa alueita, joilla jälleenkytkeytyminen tapahtui, ja mittasimme ionien, pääasiassa piin ja hapen, emissioviivoja”, hän sanoo. ”Huomasimme, että pii-ionien spektriviivat olivat paljon leveämpiä kuin happi-ionien.”

Se viittasi pii-ionien ensisijaiseen lämpenemiseen. ”Meidän piti selittää se”, Bradshaw sanoo. ”Katsoimme ja ajattelimme, ja kävi ilmi, että on olemassa kineettinen prosessi nimeltä ionisyklotronilämmitys, joka suosii raskaiden ionien lämpenemistä kevyempiin nähden.”

Hänen mukaansa ionisyklotroniaallot syntyvät jälleenkytkeytymispaikoissa. Raskaampien ionien kuljettamat aallot ovat alttiimpia epävakaudelle, joka saa aallot ”rikkoutumaan” ja synnyttämään turbulenssia, joka hajottaa ja energisoi ionit. Tämä laajentaa niiden spektriviivoja enemmän kuin mitä pelkän plasman paikallisen lämpötilan perusteella voisi odottaa. Kevyempien ionien tapauksessa energiaa ei ehkä jää riittävästi niiden lämmittämiseen. ”Muuten ne eivät ylitä epävakauden laukaisemiseen tarvittavaa kriittistä nopeutta, joka kevyemmillä ioneilla on nopeampi”, hän sanoo.

”Aurinkotuulessa raskaammat ionit ovat huomattavasti kuumempia kuin kevyemmät ionit”, Bradshaw sanoo. ”Se on mitattu lopullisesti. Tutkimuksemme osoittaa ensimmäistä kertaa, että tämä on myös siirtymäalueen ominaisuus ja saattaa siksi jatkua koko ilmakehässä tunnistamamme mekanismin vuoksi, mukaan lukien auringon koronan lämpeneminen, varsinkin kun aurinkotuuli on ilmenemismuoto koronan laajenemisesta planeettojen väliseen avaruuteen.”

Seuraava kysymys, sanoo Bahauddin, on se, tapahtuvatko tällaiset ilmiöt samassa tahdissa kaikkialla Auringossa. ”Todennäköisesti vastaus on ei”, hän sanoo. ”Sitten kysymys on, kuinka paljon ne vaikuttavat koronaaliseen kuumenemisongelmaan?”. Voivatko ne syöttää riittävästi energiaa ylempään ilmakehään, jotta se voi ylläpitää monimiljoonaasteista koronaa?

”Se, mitä olemme osoittaneet siirtymäalueen osalta, oli ratkaisu tärkeään palapelin osaan, mutta kokonaiskuva edellyttää, että useammat palat loksahtavat oikealle paikalleen”, Bahauddin sanoo. ”Uskon, että IRIS pystyy kertomaan meille kromosfäärin palasista lähitulevaisuudessa. Se auttaa meitä rakentamaan yhtenäisen ja kokonaisvaltaisen teorian auringon ilmakehästä.”