Baanbaan-telescoop onthult magnetische energie als sleutel-warmtebron van zonnestof

Een fenomeen eerst gedetecteerd in de zonnewind kan helpen een langdurig mysterie over de zon op te lossen: waarom de zonnestof miljoenen graden heter is dan het oppervlak. Beelden van de aardse baanbane Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS) en de Atmospheric Imaging Assembly (AIA) tonen bewijs dat lage magnetische lussen verhit worden tot miljoenen graden Kelvin.

Onderzoekers aan Rice University, de University of Colorado Boulder en NASA's Marshall Space Flight Center pleiten ervoor dat zwaardere ionen, zoals silicium, preferentieel verhit worden in zowel de zonnewind als in de overgangsregio tussen de zon's chromosoof en corona. Daar, bogen van gemagnetiseerd plasma boog continu, niet ongelijken hun neven en nichten in de corona erboven. Ze zijn veel kleiner en moeilijk te analyseren, maar zijn lang gedacht de magnetisch gedreven mechanisme te herbergen dat bursts van energie vrijmaakt in de vorm van nanoflares. Rice zonnefysicus Stephen Bradshaw en zijn collega's waren onder hen die dat vermoedden, maar niemand had voldoende bewijs voordat IRIS.

De hoog-vliegende spectrometer was specifiek gebouwd om de overgangsregio te observeren. In de NASA-gefinanciereerde studie beschrijven de onderzoekers "verlichtingen" in de herconnecterende lussen die sterke spectrale handtekeningen van zuurstof en, vooral, zwaardere silicium-ionen bevatten.

Het team van Bradshaw, zijn vroegere student Shah Mohammad Bahauddin, nu een onderzoeksfaculteitslid aan het Laboratory for Atmospheric and Space Physics in Colorado, en NASA-astrofysicus Amy Winebarger bestudeerden IRIS-beelden die details van deze overgangsregio-lussen konden resolven en zakken van superheet plasma konden detecteren. De beelden staan hen toe de bewegingen en temperaturen van ionen binnen de lussen te analyseren via het licht dat ze uitzenden, gelezen als spectrale lijnen die dienen als chemische "vingerafdrukken."

"Het is in de emissielijnen waar al de fysica geïmprimeerd zit," zei Bradshaw, associate professor natuurkunde en sterrenkunde. "Het idee was te leren hoe deze kleine structuren verhit worden en hopen iets te zeggen over hoe de corona zelf verhit wordt. Dit kan een ubiquitair mechanisme zijn dat door de hele zonnestof opereert."

De beelden onthulden hotspot-spectra waar de lijnen verbreed werden door thermische en Doppler-effecten, wat niet alleen de elementen betrokken bij nanoflares aangeeft, maar ook hun temperaturen en snelheden. Op de hotspots vonden ze herconnecterende jets met silicium-ionen die naar (blue-shifted) en van (red-shifted) de waarnemer (IRIS) bewogen met snelheden tot 100 kilometer per seconde. Geen Doppler-shift werd gedetecteerd voor de lichtere zuurstof-ionen.

De onderzoekers bestudeerden twee componenten van het mechanisme: hoe de energie uit het magnetische veld komt, en hoe het eigenlijk het plasma verhit. De overgangsregio is slechts ongeveer 5.500 graden Celsius, maar convectie op het zonneoppervlak beïnvloedt de lussen, draait en vlecht de dunne magnetische draden die ze samenstellen, en voegt energie toe aan de magnetische velden die uiteindelijk het plasma verhitten, zei Bradshaw. "De IRIS-observaties toonden dat proces aan en we zijn redelijk zeker dat tenminste één antwoord op het eerste deel is via magnetische herconnectie, waarvan de jets een sleutelhandtekening zijn," zei hij.

In dat proces breken en herconnecteren de magnetische velden van de plasma-draden op vlechtingsplaatsen in lagere energietoestanden, wat opgeslagen magnetische energie vrijmaakt. Waar dit plaatsvindt, wordt het plasma superverhit. Maar hoe plasma verhit wordt door de vrijgemaakte magnetische energie is een raadsel gebleven tot nu toe. "We keken naar de gebieden in deze kleine lusstructuren waar herconnectie plaatsvond en maatten de emissielijnen van de ionen, hoofdzakelijk silicium en zuurstof," zei hij. "We vonden dat de spectrale lijnen van de silicium-ionen veel breder waren dan die van zuurstof."

Dat duidde op preferentiële verbranding van de silicium-ionen. "We hadden een verklaring nodig," zei Bradshaw. "We keken en dachten na en het blijkt er een kinetisch proces te zijn genaamd ionen-cyclotron-verhitting dat zwaardere ionen prefereert boven lichtere." Hij zei dat ionen-cyclotron-golven gegenereerd worden bij de herconnectieplaatsen. De golven gedragen door de zwaardere ionen zijn meer vatbaar voor een onstabiliteit die de golven doet "breken" en turbulentie genereert, wat de ionen verstrooit en energiseert. Dit verbreedt hun spectrale lijnen verder dan wat verwacht zou worden van de lokale temperatuur van het plasma alleen. In het geval van de lichtere ionen, kan er onvoldoende energie overblijven om ze te verbranden. "Anders overschrijden ze niet de kritieke snelheid nodig om de onstabiliteit te triggeren, wat sneller is voor lichtere ionen," zei hij.

"In de zonnewind zijn zwaardere ionen significant heter dan lichtere ionen," zei Bradshaw. "Dat is definitief gemeten. Onze studie toont voor het eerst dat dit ook een eigenschap is van de overgangsregio en daarom door de hele atmosfeer kan persisteren door het geïdentificeerde mechanisme, inclusief het verwarmen van de zonnencorona, met name aangezien de zonnewind een manifestatie is van de corona die uitdijt in interplanetaire ruimte."

De volgende vraag, zei Bahauddin, is of dergelijke fenomenen op dezelfde snelheid overal op de zon gebeuren. "Meest waarschijnlijk is het antwoord nee," zei hij. "Dan is de vraag, hoeveel dragen ze bij aan het coronaverwarmingsprobleem? Kunnen ze voldoende energie aan de bovenste atmosfeer leveren zodat het een multi-miljoenen-graden corona kan handhaven?