Орбитальный телескоп раскрывает магнитную энергию как ключевой источник тепла солнечной атмосферы

Феномен, впервые обнаруженный в солнечном ветре, может помочь решить давностоящую загадку о Солнце: почему солнечная атмосфера миллионы градусов горячее поверхности. Изображения от орбитального вокруг Земли интерфейсного область изображения спектрографа (IRIS) и Атмосферной сборочной визуализации (AIA) показывают доказательства того, что низко лежащие магнитные петли нагреваются до миллионов градусов Кельвина.

Исследователи из Райсского университета, Университета Колорадо Бoulder и Космического центра Маршалла NASA делают вывод, что более тяжелые ионы, такие как кремний, предпочтительно нагреваются как в солнечном ветре, так и в переходной области между хromosферой и короной Солнца. Там петли магнетизированной плазмы дугаются непрерывно, не в отличие от их кузенов в короне выше. Они намного меньше и трудны для анализа, но долгое время считалось, что они скрывают магнитный механизм, который высвобождает взрывы энергии в форме наносплесков. Райский солнечный физик Стивен Брэдшоу и его коллеги были среди тех, кто так подозревал, но никто не имел достаточных доказательств до IRIS.

Высоколетящий спектрометр был построен специально для наблюдения переходной области. В NASA-фундированном исследовании исследователи описывают «осветления» в пересоединяющихся петлях, содержащих сильные спектральные сигнатуры кислорода и, особенно, более тяжелых ионов кремния.

Команда Брэдшоу, его бывшего студента Шаха Мохаммада Бахауддина, теперь исследовательского преподавателя в Лаборатории атмосферной и космической физики в Колорадо, и астрофизика NASA Эми Уайнбаргер изучили изображения IRIS, способные разрешать детали этих переходных областей петель и обнаруживать карманы сверхгорячей плазмы. Изображения позволяют им анализировать движения и температуры ионов внутри петель через свет, который они испускают, считываемый как спектральные линии, служащие химическими «отпечатками пальцев».

«В линиях излучения вся физика запечатлена», — сказал Брэдшоу, доцент физики и астрономии. «Идея была узнать, как эти крошечные структуры нагреваются и надеяться сказать что-то о том, как сама корона нагревается. Это может быть универсальный механизм, действующий во всей солнечной атмосфере».

Изображения раскрыли спектры горячих точек, где линии были расширены термическими и доплеровскими эффектами, указывающими не только на элементы, вовлеченные в наносплески, но также на их температуры и скорости. В горячих точках они нашли пересоединяющиеся струи, содержащие ионы кремния, движущиеся к (синий сдвиг) и от (красный сдвиг) наблюдателя (IRIS) со скоростями до 100 километров в секунду. Никакого доплеровского сдвига не было обнаружено для более легких ионов кислорода.

Исследователи изучили два компонента механизма: как энергия выходит из магнитного поля, а затем как она на самом деле нагревает плазму. Переходная область составляет только около 10 000 градусов Фаренгейта, но конвекция на поверхности Солнца влияет на петли, скручивая и заплетающие тонкие магнитные нити, из которых они состоят, и добавляя энергию в магнитные поля, которые в конечном счете нагревают плазму, сказал Брэдшоу. «Наблюдения IRIS показали, что этот процесс происходит, и мы довольно уверены, что по крайней мере один ответ на первую часть — через магнитную пересоединение, из которых струи являются ключевой сигнатурой», — сказал он.

В этом процессе магнитные поля плазменных нитей ломаются и пересоединяются на местах заплетения в более низкие энергетические состояния, высвобождая накопленную магнитную энергию. Там, где это происходит, плазма становится сверхнагретой. Но как плазма нагревается высвобожденной магнитной энергией оставалось загадкой до сих пор. «Мы посмотрели на области в этих маленьких петлевых структурах, где происходила пересоединение, и измерили линии излучения от ионов, главным образом кремния и кислорода», — сказал он. «Мы обнаружили, что спектральные линии ионов кремния были намного шире, чем кислорода».

Это указывало на предпочтительный нагрев ионов кремния. «Нам нужно было это объяснить», — сказал Брэдшоу. «Мы посмотрели и подумали, и выяснилось, что есть кинетический процесс, называемый ионным циклотронным нагревом, который предпочитает нагрев тяжелых ионов над легкими». Он сказал, что ионные циклотронные волны генерируются в местах пересоединения. Волны, переносимые более тяжелыми ионами, более восприимчивы к нестабильности, которая заставляет волны «ломаться» и генерировать турбулентность, которая рассеивает и энергизирует ионы. Это расширяет их спектральные линии за пределами того, что ожидалось бы от локальной температуры плазмы в одиночестве. В случае легких ионов может не хватать оставшейся энергии для их нагрева. «Иначе они не превышают критическую скорость, необходимую для запуска нестабильности, которая быстрее для легких ионов», — сказал он.

«В солнечном ветре более тяжелые ионы значительно горячее легких ионов», — сказал Брэдшоу. «Это было определенно измерено. Наше исследование показывает впервые, что это также свойство переходной области и может поэтому сохраняться во всей атмосфере из-за идентифицированного нами механизма, включая нагрев солнечной короны, особенно поскольку солнечный ветер является проявлением короны, расширяющейся в межпланетное пространство».

Следующий вопрос, сказал Бахауддин — происходят ли такие феномены с той же скоростью по всему Солнцу. «Скорее всего ответ — нет», — сказал он. «Тогда вопрос: сколько они вносят в проблему коронального нагрева? Могут ли они снабдить достаточно энергии верхней атмосфере, чтобы она могла поддерживать многомиллионную корону?