Orbitierendes Teleskop enthüllt magnetische Energie als Hauptwärmequelle der Sonnenatmosphäre

Ein Phänomen, das erstmals im Sonnenwind detektiert wurde, könnte helfen, ein langjähriges Rätsel über die Sonne zu lösen: Warum die Sonnenatmosphäre Millionen Grad heißer ist als die Oberfläche. Bilder vom erdumkreisenden Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS) und der Atmospheric Imaging Assembly (AIA) zeigen Beweise dafür, dass niedrig liegende magnetische Schleifen auf Millionen Grad Kelvin erhitzt werden.

Forscher der Rice University, der University of Colorado Boulder und des NASA Marshall Space Flight Center argumentieren, dass schwerere Ionen, wie Silizium, sowohl im Sonnenwind als auch in der Übergangsregion zwischen der Chromosphäre und Korona der Sonne bevorzugt erhitzt werden. Dort bogen sich Schleifen aus magnetisiertem Plasma kontinuierlich, nicht unähnlich ihren Vettern in der darüber liegenden Korona. Sie sind viel kleiner und schwer zu analysieren, aber man vermutete lange, dass sie den magnetisch getriebenen Mechanismus beherbergen, der Energie in Form von Nanoflares freisetzt. Der Rice-Solarphysiker Stephen Bradshaw und seine Kollegen gehörten zu denen, die dies vermuteten, aber niemand hatte vor IRIS ausreichende Beweise.

Das hochfliegende Spektrometer wurde speziell gebaut, um die Übergangsregion zu beobachten. In der NASA-finanzierten Studie beschreiben die Forscher „Aufhellungen“ in den sich neu verbindenden Schleifen, die starke spektrale Signaturen von Sauerstoff und insbesondere schwereren Silizium-Ionen enthalten.

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

„In den Emissionszeilen ist die gesamte Physik eingeprägt“, sagte Bradshaw, Associate Professor für Physik und Astronomie. „Die Idee war zu lernen, wie diese winzigen Strukturen erhitzt werden und hoffentlich etwas darüber zu sagen, wie die Korona selbst erhitzt wird. Dies könnte ein ubiquitärer Mechanismus sein, der in der gesamten Sonnenatmosphäre operiert.“

Die Bilder zeigten Hot-Spot-Spektren, wo die Linien durch thermische und Dopplereffekte verbreitert waren, was nicht nur die an Nanoflares beteiligten Elemente, sondern auch ihre Temperaturen und Geschwindigkeiten anzeigte. An den Hot Spots fanden sie sich neu verbindende Jets, die Silizium-Ionen enthielten, die sich auf den Beobachter (IRIS) zu (blauverschoben) und weg (rotverschoben) mit Geschwindigkeiten bis zu 100 Kilometern pro Sekunde bewegten. Keine Dopplerverschiebung wurde für die leichteren Sauerstoff-Ionen detektiert.

Die Forscher untersuchten zwei Komponenten des Mechanismus: wie die Energie aus dem Magnetfeld entweicht, und wie sie tatsächlich das Plasma erhitzt. Die Übergangsregion ist nur etwa 10.000 Grad Fahrenheit, aber Konvektion auf der Sonnenoberfläche beeinflusst die Schleifen, verdrillt und verflechtet die dünnen magnetischen Stränge, die sie bilden, und fügt Energie den Magnetfeldern 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 in der magnetischen Neukopplung liegt, von der die Jets ein Schlüsselsignal sind“, sagte er.

In diesem Prozess brechen die Magnetfelder der Plasmastränge und verbinden sich an Verflechtungsstellen in niedrigere Energiezustände neu, wodurch gespeicherte magnetische Energie freigesetzt wird. Wo dies geschieht, wird das Plasma superheiß. Aber wie Plasma durch die freigesetzte magnetische Energie erhitzt wird, blieb bis jetzt ein Rätsel. „Wir schauten uns die Bereiche in diesen kleinen Schleifenstrukturen an, wo Neukopplung stattfand, und maßen die Emissionszeilen der Ionen, hauptsächlich Silizium und Sauerstoff“, sagte er. „Wir fanden, dass die Spektrallinien der Silizium-Ionen viel breiter waren als die des Sauerstoffs.“

Das zeigte bevorzugte Erwärmung der Silizium-Ionen. „Wir mussten es erklären“, sagte Bradshaw. „Wir schauten und dachten nach, und es stellt sich heraus, dass es einen kinetischen Prozess namens Ionenzyklotron-Heizung gibt, der schwere Ionen gegenüber leichteren begünstigt.“ Er sagte, Ionenzyklotron-Wellen werden an den Neukopplungsstellen erzeugt. Die von den schwereren Ionen getragenen Wellen sind anfälliger für eine Instabilität, die die Wellen „brechen“ lässt und Turbulenz erzeugt, die die Ionen streut und energetisiert. Dies verbreitet ihre Spektrallinien über das hinaus, was von der lokalen Plasmatemperatur allein erwartet würde. Im Fall der leichteren Ionen könnte nicht genügend Energie übrig sein, um sie zu erhitzen. „Andernfalls überschreiten sie nicht die kritische Geschwindigkeit, die nötig ist, um die Instabilität auszulösen, die für leichtere Ionen schneller ist“, sagte er.

„Im Sonnenwind sind schwerere Ionen signifikant heißer als leichtere Ionen“, sagte Bradshaw. „Das wurde definitiv gemessen. Unsere Studie zeigt erstmals, dass dies auch eine Eigenschaft der Übergangsregion ist und daher möglicherweise in der gesamten Atmosphäre aufgrund des identifizierten Mechanismus fortbesteht, einschließlich der Erwärmung der Sonnenkorona, insbesondere da der Sonnenwind eine Manifestation der Korona ist, die in den interplanetaren Raum expandiert.“

Die nächste Frage, so Bahauddin, ist, ob solche Phänomene überall auf der Sonne mit der gleichen Rate auftreten. „Wahrscheinlich ist die Antwort nein“, sagte er. „Dann ist die Frage, wie viel sie zum Korona-Heizungsproblem beitragen. Können sie ausreichend Energie in die obere Atmosphäre liefern, damit sie eine multimillionengradige Korona aufrechterhalten kann?