Zjawisko po raz pierwszy wykryte w wietrze słonecznym może pomóc w rozwiązaniu długoletniej tajemnicy dotyczącej Słońca: dlaczego atmosfera słoneczna jest miliony stopni gorętsza niż powierzchnia.

Obrazy z orbitującego wokół Ziemi Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS), oraz Atmospheric Imaging Assembly (AIA), pokazują dowody na to, że nisko położone pętle magnetyczne są podgrzewane do milionów stopni Kelvina.

Badacze twierdzą, że cięższe jony, takie jak krzem, są preferencyjnie ogrzewane zarówno w wietrze słonecznym, jak i w regionie przejściowym pomiędzy chromosferą i koroną Słońca.

Tam, pętle namagnesowanej plazmy łukują w sposób ciągły, nie tak jak ich kuzyni w koronie powyżej. Są one znacznie mniejsze i trudne do przeanalizowania, ale od dawna uważano, że kryją w sobie napędzany magnetycznie mechanizm, który uwalnia wybuchy energii w postaci nanoflasterów.

Fizyk słoneczny z Uniwersytetu Ryżowego Stephen Bradshaw i jego koledzy byli jednymi z tych, którzy podejrzewali, że tak jest, ale żaden z nich nie miał wystarczających dowodów przed IRIS.

Wysoko latający spektrometr został zbudowany specjalnie do obserwacji regionu przejściowego. W badaniu, które ukazało się w Nature Astronomy, naukowcy opisują „przejaśnienia” w łączących się pętlach, które zawierają silne sygnatury widmowe tlenu i, szczególnie, cięższych jonów krzemu.

Zespół Bradshaw, jego były student i główny autor Shah Mohammad Bahauddin, obecnie członek wydziału badawczego w Laboratorium Fizyki Atmosfery i Przestrzeni Kosmicznej na Uniwersytecie Colorado Boulder, oraz astrofizyk NASA Amy Winebarger studiował obrazy IRIS zdolne do rozstrzygania szczegółów tych pętli regionu przejściowego i wykrywania kieszeni super gorącej plazmy. Obrazy te pozwalają im analizować ruchy i temperatury jonów w obrębie pętli poprzez emitowane przez nie światło, odczytywane jako linie widmowe, które służą jako chemiczne „odciski palców”.”

„To właśnie w liniach emisyjnych odciśnięta jest cała fizyka”, mówi Bradshaw, profesor nadzwyczajny fizyki i astronomii. „Pomysł polegał na tym, aby dowiedzieć się, jak te maleńkie struktury są ogrzewane i mieć nadzieję, że powiemy coś o tym, jak ogrzewana jest sama korona. Może to być wszechobecny mechanizm, który działa w całej atmosferze słonecznej.”

Obrazy ujawniają widma gorących punktów, gdzie linie zostały poszerzone przez efekty termiczne i dopplerowskie, wskazując nie tylko elementy zaangażowane w nano-rozbłyski, ale także ich temperatury i prędkości.

W gorących punktach, odkryto ponownie łączące się dżety zawierające jony krzemu poruszające się w kierunku (niebieskie przesunięcie) i z dala od (czerwone przesunięcie) obserwatora (IRIS) z prędkościami do 100 kilometrów na sekundę. Nie wykryto przesunięcia dopplerowskiego dla lżejszych jonów tlenu.

Badacze studiowali dwa składniki mechanizmu: jak energia wydostaje się z pola magnetycznego, a następnie jak faktycznie ogrzewa plazmę.

Region przejściowy to tylko około 10 000 stopni Fahrenheita, ale konwekcja na powierzchni Słońca wpływa na pętle, skręcając i splatając cienkie magnetyczne nitki, które je tworzą, i dodaje energii do pól magnetycznych, które ostatecznie ogrzewają plazmę, mówi Bradshaw. „Obserwacje IRIS pokazały, że proces ten ma miejsce i jesteśmy dość pewni, że przynajmniej jedna odpowiedź na pierwszą część jest przez rekoneksję magnetyczną, której dżet jest kluczowym podpisem,” mówi.

W tym procesie, pola magnetyczne pasm plazmy łamią się i ponownie łączą w miejscach splotu w niższe stany energetyczne, uwalniając zmagazynowaną energię magnetyczną. Gdzie to ma miejsce, plazma staje się superheated.

Ale jak uwolniona energia magnetyczna ogrzewa plazmę pozostawała zagadką aż do teraz. „Przyjrzeliśmy się regionom w tych małych strukturach pętlowych, gdzie dochodziło do rekoneksji i zmierzyliśmy linie emisyjne jonów, głównie krzemu i tlenu,” mówi. „Stwierdziliśmy, że linie widmowe jonów krzemu były znacznie szersze niż tlenu.”

To wskazywało na preferencyjne ogrzewanie jonów krzemu. „Musieliśmy to wyjaśnić,” mówi Bradshaw. „Spojrzeliśmy i pomyśleliśmy i okazało się, że istnieje proces kinetyczny zwany cyklotronowym ogrzewaniem jonów, który faworyzuje ogrzewanie cięższych jonów w stosunku do lżejszych.”

Mówi, że cyklotronowe fale jonowe są generowane w miejscach rekoneksji. Fale przenoszone przez cięższe jony są bardziej podatne na niestabilność, która powoduje, że fale „łamią się” i generują turbulencje, które rozpraszają i energetyzują jony. Powoduje to poszerzenie ich linii spektralnych ponad to, czego można by się spodziewać na podstawie samej lokalnej temperatury plazmy. W przypadku lżejszych jonów, energia może być niewystarczająca, aby je ogrzać. „W przeciwnym razie nie przekraczają one prędkości krytycznej potrzebnej do wywołania niestabilności, która jest szybsza dla lżejszych jonów,” mówi.

„W wietrze słonecznym, cięższe jony są znacznie gorętsze niż lżejsze,” mówi Bradshaw. „Zostało to definitywnie zmierzone. Nasze badanie pokazuje po raz pierwszy, że jest to również właściwość regionu przejściowego, a zatem może utrzymywać się w całej atmosferze ze względu na zidentyfikowany przez nas mechanizm, w tym podgrzewanie korony słonecznej, zwłaszcza, że wiatr słoneczny jest przejawem rozszerzania się korony w przestrzeń międzyplanetarną.”

Następne pytanie, mówi Bahauddin, dotyczy tego, czy takie zjawiska zachodzą w tym samym tempie na całym Słońcu. „Najprawdopodobniej odpowiedź brzmi: nie”, mówi. „Wtedy pojawia się pytanie, jak bardzo przyczyniają się one do problemu ogrzewania koronalnego? Czy mogą dostarczyć wystarczającą ilość energii do górnej atmosfery, aby mogła ona utrzymać koronę o temperaturze wielu milionów stopni?

„To, co pokazaliśmy dla regionu przejściowego było rozwiązaniem ważnego elementu układanki, ale szerszy obraz wymaga więcej kawałków, które muszą wpaść na właściwe miejsce” – mówi Bahauddin. „Wierzę, że w niedalekiej przyszłości IRIS będzie w stanie opowiedzieć nam o fragmentach chromosfery. To pomoże nam zbudować jednolitą i globalną teorię atmosfery Słońca.”

.