Un fenomeno rilevato per la prima volta nel vento solare può aiutare a risolvere un lungo mistero sul sole: perché l’atmosfera solare è milioni di gradi più calda della superficie.

Immagini dal Earth-orbiting Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS), e l’Atmospheric Imaging Assembly (AIA), mostrano la prova che i loop magnetici a bassa quota sono riscaldati a milioni di gradi Kelvin.

I ricercatori sostengono che gli ioni più pesanti, come il silicio, sono riscaldati di preferenza sia nel vento solare che nella regione di transizione tra la cromosfera e la corona del sole. Sono molto più piccoli e difficili da analizzare, ma da tempo si pensa che ospitino il meccanismo magneticamente guidato che rilascia esplosioni di energia sotto forma di nanoflare.

Il fisico solare dell’Università di riso Stephen Bradshaw e i suoi colleghi erano tra coloro che sospettavano tanto, ma nessuno aveva prove sufficienti prima di IRIS.

Lo spettrometro ad alta velocità è stato costruito appositamente per osservare la regione di transizione. Nello studio, che appare in Nature Astronomy, i ricercatori descrivono “schiarite” nei loop di riconnessione che contengono forti firme spettrali di ossigeno e, soprattutto, ioni di silicio più pesanti.

Il team di Bradshaw, il suo ex studente e autore principale Shah Mohammad Bahauddin, ora membro della facoltà di ricerca presso il Laboratorio di Fisica Atmosferica e Spaziale dell’Università del Colorado Boulder, e l’astrofisica della NASA Amy Winebarger hanno studiato le immagini IRIS in grado di risolvere i dettagli di questi loop della regione di transizione e rilevare sacche di plasma super-caldo. Le immagini permettono loro di analizzare i movimenti e le temperature degli ioni all’interno dei loop attraverso la luce che emettono, letta come linee spettrali che servono come “impronte digitali” chimiche. “È nelle linee di emissione dove tutta la fisica è impressa”, dice Bradshaw, un professore associato di fisica e astronomia. “L’idea era di imparare come queste piccole strutture vengono riscaldate e sperare di dire qualcosa su come la corona stessa viene riscaldata. Questo potrebbe essere un meccanismo onnipresente che opera in tutta l’atmosfera solare.”

Le immagini rivelano spettri hot-spot in cui le linee sono state ampliate da effetti termici e Doppler, indicando non solo gli elementi coinvolti nei nanoflares ma anche le loro temperature e velocità.

Ai punti caldi, hanno trovato getti di riconnessione contenenti ioni di silicio spostati verso (blu-shifted) e lontano da (red-shifted) l’osservatore (IRIS) a velocità fino a 100 chilometri al secondo. Nessuno spostamento Doppler è stato rilevato per gli ioni di ossigeno più leggeri.

I ricercatori hanno studiato due componenti del meccanismo: come l’energia esce dal campo magnetico, e poi come effettivamente riscalda il plasma.

La regione di transizione è solo circa 10.000 gradi Fahrenheit, ma la convezione sulla superficie del sole colpisce i loop, torcendo e intrecciando i sottili fili magnetici che li compongono, e aggiunge energia ai campi magnetici che alla fine riscaldano il plasma, Bradshaw dice. “Le osservazioni di IRIS hanno mostrato questo processo in corso e siamo ragionevolmente sicuri che almeno una risposta alla prima parte è attraverso la riconnessione magnetica, di cui i getti sono una firma chiave”, dice.

In questo processo, i campi magnetici dei filamenti di plasma si rompono e si riconnettono nei siti di intreccio in stati di energia inferiore, rilasciando energia magnetica immagazzinata. Dove questo avviene, il plasma diventa surriscaldato.

Ma come l’energia magnetica rilasciata riscalda il plasma è rimasto un puzzle fino ad ora. “Abbiamo osservato le regioni in queste piccole strutture ad anello dove avveniva la riconnessione e abbiamo misurato le linee di emissione degli ioni, principalmente silicio e ossigeno”, dice. “Abbiamo scoperto che le linee spettrali degli ioni di silicio erano molto più larghe di quelle dell’ossigeno”.

Questo indicava un riscaldamento preferenziale degli ioni di silicio. “Avevamo bisogno di spiegarlo”, dice Bradshaw. “Abbiamo dato un’occhiata e pensato e si è scoperto che c’è un processo cinetico chiamato riscaldamento di ciclotrone ionico che favorisce il riscaldamento degli ioni pesanti rispetto a quelli più leggeri.”

Dice che le onde di ciclotrone ionico sono generate nei siti di riconnessione. Le onde trasportate dagli ioni più pesanti sono più suscettibili a un’instabilità che fa sì che le onde si “rompano” e generino turbolenze, che disperdono ed eccitano gli ioni. Questo allarga le loro linee spettrali oltre quello che ci si aspetterebbe dalla sola temperatura locale del plasma. Nel caso degli ioni più leggeri, potrebbe rimanere energia insufficiente per riscaldarli. “Altrimenti, non superano la velocità critica necessaria per innescare l’instabilità, che è più veloce per gli ioni più leggeri”, dice.

“Nel vento solare, gli ioni più pesanti sono significativamente più caldi degli ioni più leggeri”, dice Bradshaw. “Questo è stato definitivamente misurato. Il nostro studio mostra per la prima volta che questa è anche una proprietà della regione di transizione, e potrebbe quindi persistere in tutta l’atmosfera a causa del meccanismo che abbiamo identificato, compreso il riscaldamento della corona solare, soprattutto perché il vento solare è una manifestazione della corona che si espande nello spazio interplanetario.”

La prossima domanda, dice Bahauddin, è se tali fenomeni stanno accadendo allo stesso ritmo in tutto il sole. “Molto probabilmente la risposta è no”, dice. “Allora la domanda è: quanto contribuiscono al problema del riscaldamento coronale? Possono fornire sufficiente energia all’atmosfera superiore in modo che possa mantenere una corona a più milioni di gradi?

“Quello che abbiamo mostrato per la regione di transizione era una soluzione a un pezzo importante del puzzle, ma il quadro generale richiede più pezzi per cadere al posto giusto”, dice Bahauddin. “Credo che IRIS sarà in grado di parlarci dei pezzi cromosferici nel prossimo futuro. Questo ci aiuterà a costruire una teoria unificata e globale dell’atmosfera solare”.