Een fenomeen dat voor het eerst is waargenomen in de zonnewind kan helpen een al lang bestaand mysterie over de zon op te lossen: waarom de zonneatmosfeer miljoenen graden heter is dan het oppervlak.

Opnamen van de Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS) en de Atmospheric Imaging Assembly (AIA), die zich in een aardbaan bevinden, tonen aan dat laaggelegen magnetische lussen worden verhit tot miljoenen graden Kelvin.

Onderzoekers stellen dat zwaardere ionen, zoals silicium, bij voorkeur worden verhit in zowel de zonnewind als in het overgangsgebied tussen de chromosfeer van de zon en de corona.

Daarboven ontstaan voortdurend lussen van gemagnetiseerd plasma, niet anders dan hun neven in de corona. Ze zijn veel kleiner en moeilijk te analyseren, maar men heeft lang gedacht dat ze het magnetisch aangedreven mechanisme herbergen dat uitbarstingen van energie vrijgeeft in de vorm van nanoflares.

Rice University zonnefysicus Stephen Bradshaw en zijn collega’s behoorden tot degenen die dit vermoedden, maar niemand had voldoende bewijs vóór IRIS.

De hoogvliegende spectrometer werd speciaal gebouwd om het overgangsgebied waar te nemen. In de studie, die verschijnt in Nature Astronomy, beschrijven de onderzoekers “ophelderingen” in de opnieuw verbindende lussen die sterke spectrale signaturen bevatten van zuurstof en, vooral, zwaardere silicium ionen.

Het team van Bradshaw, zijn voormalige student en hoofdauteur Shah Mohammad Bahauddin, nu een onderzoekend faculteitslid aan het Laboratorium voor Atmosferische en Ruimtefysica aan de Universiteit van Colorado Boulder, en NASA astrofysicus Amy Winebarger bestudeerden IRIS-beelden die in staat zijn om details van deze overgangsregio lussen op te lossen en pockets van superheet plasma te detecteren. De beelden stellen hen in staat om de bewegingen en temperaturen van ionen binnen de lussen te analyseren via het licht dat ze uitzenden, gelezen als spectraallijnen die dienen als chemische “vingerafdrukken.”

“Het is in de emissielijnen waar alle natuurkunde is ingeprent,” zegt Bradshaw, een universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie. “Het idee was om te leren hoe deze kleine structuren worden verwarmd en hopen iets te kunnen zeggen over hoe de corona zelf wordt verwarmd. Dit zou een alomtegenwoordig mechanisme kunnen zijn dat in de hele zonneatmosfeer werkt.”

De beelden onthullen hot-spot spectra waar de lijnen werden verbreed door thermische en Doppler effecten, die niet alleen de elementen aangeven die betrokken zijn bij nanoflares, maar ook hun temperaturen en snelheden.

Bij de hot-spots vonden ze herverbindende jets met siliciumionen die in de richting van (blauw-verschoven) en weg van (rood-verschoven) de waarnemer (IRIS) bewogen met snelheden tot 100 kilometer per seconde. Er werd geen Doppler-verschuiving waargenomen voor de lichtere zuurstofionen.

De onderzoekers bestudeerden twee componenten van het mechanisme: hoe de energie uit het magnetische veld komt, en vervolgens hoe het feitelijk het plasma verwarmt.

Het overgangsgebied is slechts ongeveer 10.000 graden Fahrenheit, maar convectie op het oppervlak van de zon beïnvloedt de lussen, verdraait en vlecht de dunne magnetische strengen waaruit ze bestaan, en voegt energie toe aan de magnetische velden die uiteindelijk het plasma verwarmen, zegt Bradshaw. “De IRIS-waarnemingen lieten zien dat dat proces plaatsvindt en we zijn er redelijk zeker van dat ten minste één antwoord op het eerste deel door magnetische herverbinding is, waarvan de jets een belangrijke signatuur zijn,” zegt hij.

In dat proces breken de magnetische velden van de plasmastrengen en herverbinden ze zich op vlechtplaatsen in lagere energietoestanden, waarbij opgeslagen magnetische energie vrijkomt. Waar dit gebeurt, wordt het plasma oververhit.

Maar hoe de vrijgekomen magnetische energie het plasma verhit, is tot nu toe een raadsel gebleven. “We keken naar de gebieden in deze kleine lusstructuren waar reconnectie plaatsvond en maten de emissielijnen van de ionen, voornamelijk silicium en zuurstof,” zegt hij. “We ontdekten dat de spectraallijnen van de siliciumionen veel breder waren dan die van de zuurstof.”

Dat wees op een voorkeursverwarming van de siliciumionen. “We moesten dat verklaren,” zegt Bradshaw. “We hebben eens goed gekeken en nagedacht en het blijkt dat er een kinetisch proces is dat ionencyclotronverwarming wordt genoemd en dat de voorkeur geeft aan het verwarmen van zware ionen boven lichtere.”

Hij zegt dat ionencyclotrongolven worden gegenereerd op de reconnectieplaatsen. De golven die door de zwaardere ionen worden gedragen, zijn vatbaarder voor een instabiliteit die de golven doet “breken” en turbulentie veroorzaakt, die de ionen verstrooit en van energie voorziet. Hierdoor worden hun spectraallijnen breder dan op grond van de plaatselijke temperatuur van het plasma alleen te verwachten zou zijn. In het geval van de lichtere ionen kan er onvoldoende energie overblijven om ze te verhitten. “Anders overschrijden ze niet de kritische snelheid die nodig is om de instabiliteit te veroorzaken, en die is sneller voor lichtere ionen,” zegt hij.

“In de zonnewind zijn zwaardere ionen aanzienlijk heter dan lichtere ionen,” zegt Bradshaw. “Dat is definitief gemeten. Onze studie toont voor het eerst aan dat dit ook een eigenschap is van het overgangsgebied, en dus zou kunnen aanhouden in de hele atmosfeer als gevolg van het mechanisme dat we hebben geïdentificeerd, met inbegrip van het verwarmen van de zonnecorona, vooral omdat de zonnewind een manifestatie is van de corona die zich uitbreidt in de interplanetaire ruimte.”

De volgende vraag, zegt Bahauddin, is of dergelijke verschijnselen overal op de zon in hetzelfde tempo plaatsvinden. “Hoogstwaarschijnlijk is het antwoord nee,” zegt hij. “Dan is de vraag in hoeverre zij bijdragen aan het probleem van de coronale verhitting. Kunnen ze voldoende energie leveren aan de bovenste atmosfeer om een corona van miljoenen graden in stand te houden? “Wat we hebben laten zien voor het overgangsgebied was een oplossing voor een belangrijk stukje van de puzzel, maar voor het grote plaatje moeten er meer stukjes op de juiste plaats vallen,” zegt Bahauddin. “Ik denk dat IRIS ons in de nabije toekomst meer zal kunnen vertellen over de chromosferische stukjes. Dat zal ons helpen om een verenigde en globale theorie van de atmosfeer van de zon op te bouwen.”