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.

Beelden van de in een baan om de aarde draaiende Interface Region Imaging Spectrograph, oftewel IRIS, en de Atmospheric Imaging Assembly, oftewel AIA, bewijzen dat laaggelegen magnetische lussen worden verwarmd tot miljoenen graden Kelvin.

Onderzoekers van de Rice University, de University of Colorado Boulder en NASA's Marshall Space Flight Center beweren dat zwaardere ionen, zoals silicium, worden bij voorkeur verwarmd in zowel de zonnewind als in het overgangsgebied tussen de chromosfeer van de zon en de corona.

Daar, lussen van gemagnetiseerde plasmaboog continu, niet anders dan hun neven in de corona hierboven. Ze zijn veel kleiner en moeilijk te analyseren, maar men heeft lang gedacht dat het het magnetisch aangedreven mechanisme herbergt 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 NASA gefinancierde studie, die verschijnt in Natuurastronomie , de onderzoekers beschrijven "verhelderingen" in de opnieuw verbindende lussen die sterke spectrale handtekeningen van zuurstof bevatten en, vooral, zwaardere siliciumionen.

Het team van Bradshaw, zijn voormalige student en hoofdauteur Shah Mohammad Bahauddin, nu een onderzoeksfaculteitslid bij het Laboratorium voor Atmosferische en Ruimtefysica in Colorado, en NASA-astrofysicus Amy Winebarger bestudeerde IRIS-beelden die in staat zijn om details van deze overgangsregiolussen op te lossen en zakjes superheet plasma te detecteren. 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 ingeprent, " zei Bradshaw, een universitair hoofddocent natuurkunde en sterrenkunde. "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 door de hele zonneatmosfeer werkt."

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

Op de hotspots, ze ontdekten dat het opnieuw verbinden van jets met siliciumionen naar (blauw verschoven) en weg van (rood verschoven) de waarnemer (IRIS) 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 dan hoe het het plasma daadwerkelijk verwarmt.

Het overgangsgebied is slechts ongeveer 10, 000 graden Fahrenheit, maar convectie op het oppervlak van de zon beïnvloedt de lussen, het draaien en vlechten van 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 door magnetische herverbinding is, waarvan de jets een sleutelsignatuur zijn, " hij zei.

In dat proces, de magnetische velden van de plasmastrengen breken en verbinden zich opnieuw op vlechtplaatsen in lagere energietoestanden, het vrijgeven van opgeslagen magnetische energie. Waar dit plaatsvindt, het plasma wordt 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 herverbinding 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 veroorzaken, die de ionen verstrooit en activeert. 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, er kan onvoldoende energie overblijven om ze te verwarmen. "Anders, ze overschrijden niet de kritische snelheid die nodig is om de instabiliteit te veroorzaken, wat sneller is voor lichtere ionen, " hij zei.

"In de zonnewind, zwaardere ionen zijn aanzienlijk heter dan lichtere ionen, " zei Bradshaw. "Dat is definitief gemeten. Uit ons onderzoek blijkt voor het eerst dat dit ook een eigenschap is van de transitieregio, en kan daarom in de hele atmosfeer blijven bestaan ​​vanwege het mechanisme dat we hebben geïdentificeerd, inclusief verwarming van de zonnecorona, vooral omdat de zonnewind een manifestatie is van de corona die zich uitbreidt naar de interplanetaire ruimte."

De volgende vraag, Bahaudin zei, 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?

"Wat we voor de transitieregio hebben laten zien, was een oplossing voor een belangrijk stukje van de puzzel, but the big picture requires more pieces to fall in the right place, " Bahauddin said. "I believe IRIS will be able to tell us about the chromospheric pieces in the near future. That will help us build a unified and global theory of the sun's atmosphere."