Umlaufende Instrumente weisen darauf hin, dass gespeicherte magnetische Energie die Sonnenatmosphäre erwärmt

Ein Phänomen, das erstmals im Sonnenwind entdeckt wurde, könnte dabei helfen, ein langjähriges Rätsel über die Sonne zu lösen:warum die Sonnenatmosphäre Millionen Grad heißer ist als die Oberfläche. Bilder des Earth-Orbiting Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS) und der Atmospheric Imaging Assembly (AIA) zeigen, dass tief liegende Magnetschleifen auf Millionen Kelvin erhitzt werden.

Forscher der Rice University, der University of Colorado Boulder und des Marshall Space Flight Center der NASA argumentieren, dass schwerere Ionen wie Silizium bevorzugt sowohl im Sonnenwind als auch in der Übergangsregion zwischen der Chromosphäre der Sonne und der Korona erhitzt werden. Dort bilden sich ununterbrochen Schleifen aus magnetisiertem Plasma, ähnlich wie ihre Vettern in der darüber liegenden Korona. Sie sind viel kleiner und schwer zu analysieren, aber es wurde lange angenommen, dass sie den magnetisch angetriebenen Mechanismus beherbergen, der Energiestöße in Form von Nanoflares freisetzt. Der Sonnenphysiker von Reis, Stephen Bradshaw, und seine Kollegen gehörten zu denen, die dies vermuteten, aber keiner hatte vor IRIS ausreichende Beweise.

Das hochfliegende Spektrometer wurde speziell für die Beobachtung des Übergangsbereichs gebaut. In der von der NASA finanzierten Studie beschreiben die Forscher „Aufhellungen“ in den Wiederverbindungsschleifen, die starke spektrale Signaturen von Sauerstoff und insbesondere schwereren Siliziumionen enthalten.

Das Team von Bradshaw, seinem ehemaligen Studenten Shah Mohammad Bahauddin, jetzt Mitglied der Forschungsfakultät am Laboratory for Atmospheric and Space Physics in Colorado, und der NASA-Astrophysikerin Amy Winebarger untersuchte IRIS-Bilder, die in der Lage waren, Details dieser Schleifen der Übergangsregion aufzulösen und Taschen von Super zu erkennen - heißes Plasma. Die Bilder ermöglichen es ihnen, die Bewegungen und Temperaturen von Ionen innerhalb der Schleifen über das von ihnen emittierte Licht zu analysieren, das als Spektrallinien gelesen wird, die als chemische „Fingerabdrücke“ dienen.

"In den Emissionslinien ist die gesamte Physik eingeprägt", sagte Bradshaw, außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie. „Die Idee war, zu erfahren, wie diese winzigen Strukturen erhitzt werden, und zu hoffen, etwas darüber zu sagen, wie die Korona selbst erhitzt wird. Dies könnte ein allgegenwärtiger Mechanismus sein, der in der gesamten Sonnenatmosphäre wirkt.“

Die Bilder zeigten Hot-Spot-Spektren, bei denen die Linien durch thermische und Doppler-Effekte verbreitert wurden, was nicht nur die an Nanoflares beteiligten Elemente anzeigt, sondern auch ihre Temperaturen und Geschwindigkeiten. An den heißen Stellen fanden sie sich wieder verbindende Jets, die Siliziumionen enthielten, die sich mit Geschwindigkeiten von bis zu 100 Kilometern pro Sekunde auf den Beobachter (IRIS) zu (blauverschoben) und von ihm weg (rotverschoben) bewegten. Für die leichteren Sauerstoffionen wurde keine Dopplerverschiebung festgestellt.

Die Forscher untersuchten zwei Komponenten des Mechanismus:wie die Energie aus dem Magnetfeld herauskommt und wie sie dann das Plasma tatsächlich erhitzt. Die Übergangsregion ist nur etwa 10.000 Grad Fahrenheit, aber die Konvektion auf der Sonnenoberfläche beeinflusst die Schleifen, verdreht und flechtet die dünnen magnetischen Stränge, aus denen sie bestehen, und fügt den Magnetfeldern Energie hinzu, die letztendlich das Plasma erhitzen, sagte Bradshaw. „Die IRIS-Beobachtungen zeigten, dass dieser Prozess stattfindet, und wir sind ziemlich sicher, dass mindestens eine Antwort auf den ersten Teil durch magnetische Wiederverbindung erfolgt, von der die Jets eine Schlüsselsignatur sind“, sagte er.

Bei diesem Prozess brechen die Magnetfelder der Plasmastränge und verbinden sich an Flechtstellen wieder in niedrigere Energiezustände, wodurch gespeicherte magnetische Energie freigesetzt wird. Wo dies stattfindet, wird das Plasma überhitzt. Doch wie Plasma durch die freigesetzte magnetische Energie erhitzt wird, blieb bisher ein Rätsel. „Wir haben uns die Regionen in diesen kleinen Schleifenstrukturen angesehen, in denen eine Wiederverbindung stattfand, und die Emissionslinien der Ionen gemessen, hauptsächlich Silizium und Sauerstoff“, sagte er. „Wir fanden heraus, dass die Spektrallinien der Siliziumionen viel breiter waren als die des Sauerstoffs.“

Dies deutete auf eine bevorzugte Erwärmung der Siliziumionen hin. „Wir mussten es erklären“, sagte Bradshaw. „Wir haben nachgesehen und nachgedacht, und es stellte sich heraus, dass es einen kinetischen Prozess namens Ionenzyklotronerwärmung gibt, der das Erhitzen schwerer Ionen gegenüber leichteren bevorzugt.“ Er sagte, dass an den Wiederverbindungsstellen Ionenzyklotronwellen erzeugt werden. Die von den schwereren Ionen getragenen Wellen sind anfälliger für eine Instabilität, die dazu führt, dass die Wellen „brechen“ und Turbulenzen erzeugen, die die Ionen zerstreuen und energetisieren. Dies verbreitert ihre Spektrallinien über das hinaus, was allein aufgrund der lokalen Temperatur des Plasmas zu erwarten wäre. Bei den leichteren Ionen ist möglicherweise nicht genügend Energie übrig, um sie zu erhitzen. "Andernfalls überschreiten sie nicht die kritische Geschwindigkeit, die zum Auslösen der Instabilität erforderlich ist, was bei leichteren Ionen schneller ist", sagte er.

„Im Sonnenwind sind schwerere Ionen deutlich heißer als leichtere Ionen“, sagte Bradshaw. „Das ist definitiv gemessen. Unsere Studie zeigt erstmals, dass dies auch eine Eigenschaft der Übergangsregion ist und daher aufgrund des von uns identifizierten Mechanismus einschließlich der Erwärmung der Sonnenkorona in der gesamten Atmosphäre bestehen könnte, zumal der Sonnenwind eine Manifestation der Korona ist Expansion in den interplanetaren Raum.“

Die nächste Frage, sagte Bahauddin, sei, ob solche Phänomene auf der ganzen Sonne mit der gleichen Geschwindigkeit auftreten. „Höchstwahrscheinlich ist die Antwort nein“, sagte er. „Dann stellt sich die Frage, wie viel tragen sie zum Problem der koronalen Erwärmung bei? Können sie der oberen Atmosphäre genügend Energie zuführen, damit sie eine Korona von mehreren Millionen Grad aufrechterhalten kann?