Een ronddraaiend instrument geeft aanwijzingen dat opgeslagen magnetische energie de zonne-atmosfeer verwarmt

Een fenomeen dat voor het eerst werd gedetecteerd in de zonnewind, kan helpen bij het oplossen van een al lang bestaand mysterie over de zon:waarom de zonneatmosfeer miljoenen graden heter is dan het oppervlak. Afbeeldingen van de Earth-Orbiting Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS) en de Atmospheric Imaging Assembly (AIA) tonen aan dat laaggelegen magnetische lussen worden verwarmd tot miljoenen graden Kelvin.

Onderzoekers van Rice University, de University of Colorado Boulder en NASA's Marshall Space Flight Center stellen dat zwaardere ionen, zoals silicium, bij voorkeur worden verwarmd in zowel de zonnewind als in het overgangsgebied tussen de chromosfeer van de zon en de corona. Daar bogen continu lussen van gemagnetiseerd plasma, niet anders dan hun neven in de corona hierboven. 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. Rijst-zonnefysicus Stephen Bradshaw en zijn collega's behoorden tot degenen die zoveel vermoedden, maar niemand had voldoende bewijs vóór IRIS.

De hoogvliegende spectrometer is speciaal gebouwd om het overgangsgebied te observeren. In de door de NASA gefinancierde studie beschrijven de onderzoekers "verhelderingen" in de opnieuw verbindende lussen die sterke spectrale handtekeningen van zuurstof en vooral zwaardere siliciumionen bevatten.

Het team van Bradshaw, zijn voormalige student Shah Mohammad Bahauddin, nu lid van de onderzoeksfaculteit van het Laboratory for Atmospheric and Space Physics in Colorado, en NASA-astrofysicus Amy Winebarger bestudeerden IRIS-beelden die in staat zijn details van deze overgangsregiolussen op te lossen en -heet plasma. Met de afbeeldingen kunnen ze de bewegingen en temperaturen van ionen in de lussen analyseren via het licht dat ze uitstralen, gelezen als spectraallijnen die dienen als chemische "vingerafdrukken".

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

De afbeeldingen onthulden hotspot-spectra waar de lijnen werden verbreed door thermische en Doppler-effecten, wat niet alleen de elementen aangeeft die betrokken zijn bij nanoflares, maar ook hun temperaturen en snelheden. Op de hotspots vonden ze opnieuw aansluitende jets met siliciumionen die naar (blauw verschoven) en weg van (rood verschoven) de waarnemer (IRIS) bewogen met snelheden tot 100 kilometer per seconde. Er werd geen Doppler-verschuiving gedetecteerd voor de lichtere zuurstofionen.

De onderzoekers bestudeerden twee componenten van het mechanisme:hoe de energie uit het magnetische veld komt en hoe het plasma vervolgens daadwerkelijk wordt verwarmd. 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, zei Bradshaw. "De IRIS-waarnemingen toonden aan dat dit proces plaatsvindt en we zijn er redelijk zeker van dat ten minste één antwoord op het eerste deel een magnetische herverbinding is, waarvan de jets een belangrijke handtekening zijn," zei hij.

In dat proces breken de magnetische velden van de plasmastrengen en worden ze opnieuw verbonden op vlechtplaatsen in lagere energietoestanden, waardoor opgeslagen magnetische energie vrijkomt. Waar dit gebeurt, raakt het plasma oververhit. Maar hoe plasma wordt verwarmd door de vrijgekomen magnetische energie is tot nu toe een raadsel gebleven. "We keken naar de regio's in deze kleine lusstructuren waar opnieuw verbinding plaatsvond en maten de emissielijnen van de ionen, voornamelijk silicium en zuurstof", zei hij. "We ontdekten dat de spectraallijnen van de siliciumionen veel breder waren dan de zuurstof."

Dat duidde op preferentiële verwarming van de siliciumionen. 'We moesten het uitleggen,' zei Bradshaw. "We hebben gekeken en nagedacht en het blijkt dat er een kinetisch proces is dat ioncyclotronverwarming wordt genoemd en dat de voorkeur geeft aan het verwarmen van zware ionen boven lichtere." Hij zei dat ionencyclotrongolven worden gegenereerd op de herverbindingslocaties. De golven die door de zwaardere ionen worden gedragen, zijn gevoeliger voor een instabiliteit die ervoor zorgt dat de golven "breken" en turbulentie genereren, die de ionen verstrooit en bekrachtigt. Dit verbreedt hun spectraallijnen verder dan wat zou worden verwacht op basis van de lokale temperatuur van het plasma alleen. In het geval van de lichtere ionen is er mogelijk onvoldoende energie over om ze te verwarmen. "Anders overschrijden ze niet de kritische snelheid die nodig is om de instabiliteit te veroorzaken, wat sneller is voor lichtere ionen," zei hij.

"In de zonnewind zijn zwaardere ionen aanzienlijk heter dan lichtere ionen," zei Bradshaw. “Dat is definitief gemeten. Ons onderzoek toont voor het eerst aan dat dit ook een eigenschap is van het overgangsgebied en daarom door het mechanisme dat we hebben geïdentificeerd, inclusief het verwarmen van de zonnecorona, in de hele atmosfeer zou kunnen blijven bestaan, vooral omdat de zonnewind een manifestatie is van de corona uitbreiden naar de interplanetaire ruimte.”

De volgende vraag, zei Bahauddin, is of dergelijke verschijnselen overal in de zon in hetzelfde tempo plaatsvinden. "Hoogstwaarschijnlijk is het antwoord nee", zei hij. “Dan is de vraag:hoeveel dragen ze bij aan het coronale verwarmingsprobleem? Kunnen ze voldoende energie leveren aan de bovenste atmosfeer zodat deze een corona van meerdere miljoenen graden kan handhaven?