Ett fenomen som för första gången upptäcktes i solvinden kan bidra till att lösa ett långvarigt mysterium om solen: varför solatmosfären är miljontals grader varmare än ytan.

Bilder från IRIS (Interface Region Imaging Spectrograph) och AIA (Atmospheric Imaging Assembly), som är placerade på jorden, visar bevis för att lågt liggande magnetiska slingor värms upp till miljontals grader Kelvin.

Forskarna hävdar att tyngre joner, såsom kisel, företrädesvis värms upp både i solvinden och i övergångsregionen mellan solens kromosfär och korona.

Däri finns slingor av magnetiserad plasma som kontinuerligt bildar bågar, inte helt olikt sina kusiner i koronan ovanför. De är mycket mindre och svåra att analysera, men man har länge trott att de hyser den magnetiskt drivna mekanism som frigör energiburkar i form av nanoflares.

Rice Universitys solfysiker Stephen Bradshaw och hans kollegor hörde till dem som misstänkte detta, men ingen av dem hade tillräckliga bevis före IRIS.

Den högflygande spektrometern byggdes specifikt för att observera övergångsregionen. I studien, som publiceras i Nature Astronomy, beskriver forskarna ”ljusningar” i de återförenande slingorna som innehåller starka spektrala signaturer av syre och framför allt tyngre kiseljoner.

Truppen bestående av Bradshaw, hans tidigare student och huvudförfattare Shah Mohammad Bahauddin, numera forskarfakultetsmedlem vid Laboratory for Atmospheric and Space Physics vid University of Colorado Boulder, och NASA:s astrofysiker Amy Winebarger studerade IRIS-bilder som kunde lösa upp detaljer i dessa slingor i övergångsregionen och upptäcka fickor av supervarm plasma. Bilderna gör det möjligt för dem att analysera jonernas rörelser och temperaturer i slingorna via det ljus de avger, som avläses som spektrallinjer som fungerar som kemiska ”fingeravtryck”.

”Det är i emissionslinjerna som all fysik är inpräglad”, säger Bradshaw, som är docent i fysik och astronomi. ”Tanken var att lära sig hur dessa små strukturer värms upp och hoppas kunna säga något om hur själva koronan värms upp. Detta kan vara en allestädes närvarande mekanism som fungerar i hela solatmosfären.”

Bilderna avslöjar hot-spot-spektra där linjerna breddades av termiska och dopplereffekter, vilket indikerar inte bara de element som är involverade i nanoflares, utan även deras temperaturer och hastigheter.

På hot-spot-spektraen fann de att återkopplande jetstrålar som innehöll kiseljoner rörde sig mot (blåförskjutna) och bort från (rödförskjutna) observatören (IRIS) i hastigheter på upp till 100 kilometer per sekund. Ingen dopplerförskjutning upptäcktes för de lättare syrejonerna.

Forskarna studerade två komponenter i mekanismen: hur energin kommer ut ur magnetfältet och sedan hur den faktiskt värmer upp plasman.

Övergångsregionen är bara cirka 10 000 grader Fahrenheit, men konvektionen på solens yta påverkar slingorna, vrider och flätar de tunna magnetiska strängar som ingår i dem och tillför energi till de magnetfält som i slutändan värmer upp plasman, säger Bradshaw. ”IRIS-observationerna visade att denna process äger rum och vi är ganska säkra på att åtminstone ett av svaren på den första delen är genom magnetisk återkoppling, som jetstrålarna är en viktig signatur för”, säger han.

I denna process bryts magnetfälten i plasmasträngarna och återkopplas vid flätningsställena till lägre energitillstånd, varvid lagrad magnetisk energi frigörs. Där detta sker blir plasman överhettad.

Men hur den frigjorda magnetiska energin värmer upp plasman har hittills varit en gåta. ”Vi tittade på de områden i dessa små slingstrukturer där återkoppling ägde rum och mätte emissionslinjerna från jonerna, främst kisel och syre”, säger han. ”Vi fann att kiseljonernas spektrallinjer var mycket bredare än syrejonernas.”

Det tyder på att kiseljonerna företrädesvis värms upp. ”Vi behövde förklara detta”, säger Bradshaw. ”Vi tittade och funderade och det visade sig att det finns en kinetisk process som kallas joncyklotronuppvärmning och som gynnar uppvärmning av tunga joner framför lättare joner.”

Han säger att joncyklotronvågor genereras vid omkopplingsplatserna. De vågor som bärs upp av de tyngre jonerna är mer mottagliga för en instabilitet som gör att vågorna ”bryts” och genererar turbulens, vilket sprider ut och ger energi åt jonerna. Detta breddar deras spektrallinjer mer än vad man skulle kunna förvänta sig enbart på grund av den lokala plasmatemperaturen. När det gäller de lättare jonerna kan det vara så att det inte finns tillräckligt med energi kvar för att värma upp dem. ”Annars överskrider de inte den kritiska hastighet som krävs för att utlösa instabiliteten, som är snabbare för lättare joner”, säger han.

”I solvinden är tyngre joner betydligt varmare än lättare joner”, säger Bradshaw. ”Det har definitivt uppmätts. Vår studie visar för första gången att detta också är en egenskap hos övergångsregionen, och kan därför bestå i hela atmosfären på grund av den mekanism som vi har identifierat, inklusive uppvärmning av solkoronan, särskilt eftersom solvinden är en manifestation av att koronan expanderar in i det interplanetära rummet.”

Nästkommande fråga, säger Bahauddin, är om sådana fenomen sker med samma hastighet över hela solen. ”Troligen är svaret nej”, säger han. ”Då är frågan hur mycket de bidrar till problemet med koronal uppvärmning. Kan de tillföra tillräckligt med energi till den övre atmosfären så att den kan upprätthålla en mångmiljongraderskorona?

”Det vi har visat för övergångsregionen var en lösning på en viktig pusselbit, men för att få en helhetsbild krävs det att fler bitar faller på rätt plats”, säger Bahauddin. ”Jag tror att IRIS kommer att kunna berätta för oss om de kromosfäriska bitarna inom en snar framtid. Det kommer att hjälpa oss att bygga upp en enhetlig och global teori om solens atmosfär.”