Instrumento en órbita ofrece a los científicos la verdad sobre la atmósfera supercaliente del sol
Un fenómeno detectado por primera vez en el viento solar puede ayudar a resolver un antiguo misterio sobre el sol: por qué la atmósfera solar es millones de grados más caliente que la superficie.
Las imágenes del espectrógrafo de imágenes de la región de interfaz en órbita terrestre, también conocido como IRIS, y el conjunto de imágenes atmosféricas, también conocido como AIA, muestran evidencia de que los bucles magnéticos de baja altitud se calientan a millones de grados Kelvin.
Investigadores de Rice University, University of Colorado Boulder y NASAEl Centro Marshall de Vuelos Espaciales argumenta que los iones más pesados, como el silicio, se calientan preferentemente tanto en el viento solar como en la región de transición entre la cromosfera y la corona del sol.
Allí, bucles de magnetizado plasma arco de forma continua, no muy diferente de sus primos en la corona de arriba. Son mucho más pequeños y difíciles de analizar, pero durante mucho tiempo se pensó que albergaban el mecanismo impulsado magnéticamente que libera ráfagas de energía en forma de nanoflares.
El físico solar de Rice, Stephen Bradshaw, y sus colegas se encontraban entre los que lo sospechaban, pero ninguno tenía pruebas suficientes antes de IRIS.
El espectrómetro de alto vuelo se construyó específicamente para observar la región de transición. En el estudio financiado por la NASA, que aparece en Astronomía de la naturaleza, los investigadores describen «brillos» en los bucles de reconexión que contienen firmas espectrales fuertes de oxígeno y, especialmente, iones de silicio más pesados.
El equipo de Bradshaw, su ex alumno y autor principal Shah Mohammad Bahauddin, ahora miembro de la facultad de investigación en el Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial en Colorado, y la astrofísica de la NASA Amy Winebarger estudiaron imágenes de IRIS capaces de resolver detalles de estos bucles de la región de transición y detectar bolsillos de plasma supercaliente. Las imágenes les permiten analizar los movimientos y temperaturas de los iones dentro de los bucles a través de la luz que emiten, leídas como líneas espectrales que sirven como «huellas digitales» químicas.
“Es en las líneas de emisión donde está impresa toda la física”, dijo Bradshaw, profesor asociado de física y astronomía. “La idea era aprender cómo se calientan estas pequeñas estructuras y esperar decir algo sobre cómo se calienta la corona. Este podría ser un mecanismo ubicuo que opera en toda la atmósfera solar «.
Las imágenes revelaron espectros de puntos calientes donde las líneas se ampliaron por efectos térmicos y Doppler, lo que indica no solo los elementos involucrados en las nanoflares, sino también sus temperaturas y velocidades.
En los puntos calientes, encontraron chorros de reconexión que contenían iones de silicio que se movían hacia (desplazado al azul) y alejándose (desplazado al rojo) del observador (IRIS) a velocidades de hasta 100 kilómetros por segundo. No se detectó ningún cambio Doppler para los iones de oxígeno más ligeros.
Los investigadores estudiaron dos componentes del mecanismo: cómo sale la energía del campo magnético y luego cómo calienta realmente el plasma.
La región de transición es de solo unos 10.000 grados. Fahrenheit, pero la convección en la superficie del sol afecta los bucles, retorciendo y trenzando las delgadas hebras magnéticas que los incluían, y agrega energía a los campos magnéticos que finalmente calientan el plasma, dijo Bradshaw. “Las observaciones de IRIS mostraron que el proceso está teniendo lugar y estamos razonablemente seguros de que al menos una respuesta a la primera parte es a través de la reconexión magnética, de la cual los chorros son una firma clave”, dijo.
En ese proceso, los campos magnéticos de las hebras de plasma se rompen y se vuelven a conectar en los sitios de trenzado en estados de menor energía, liberando energía magnética almacenada. Donde esto ocurre, el plasma se sobrecalienta.
Pero cómo se calienta el plasma por la energía magnética liberada ha sido un enigma hasta ahora. “Observamos las regiones en estas pequeñas estructuras de bucle donde se estaba produciendo la reconexión y medimos las líneas de emisión de los iones, principalmente silicio y oxígeno”, dijo. «Encontramos que las líneas espectrales de los iones de silicio eran mucho más amplias que las del oxígeno».
Eso indicó un calentamiento preferencial de los iones de silicio. «Necesitábamos explicarlo», dijo Bradshaw. “Echamos un vistazo y pensamos y resultó que hay un proceso cinético llamado calentamiento de ciclotrón de iones que favorece el calentamiento de iones pesados sobre los más ligeros”.
Dijo que las ondas de ciclotrón de iones se generan en los sitios de reconexión. Las ondas transportadas por los iones más pesados son más susceptibles a una inestabilidad que hace que las ondas se “rompan” y generen turbulencias, que dispersan y energizan los iones. Esto amplía sus líneas espectrales más allá de lo que se esperaría de la temperatura local del plasma solo. En el caso de los iones más ligeros, es posible que no quede suficiente energía para calentarlos. «De lo contrario, no superan la velocidad crítica necesaria para desencadenar la inestabilidad, que es más rápida para los iones más ligeros», dijo.
“En el viento solar, los iones más pesados son significativamente más calientes que los iones más ligeros”, dijo Bradshaw. “Eso se ha medido definitivamente. Nuestro estudio muestra por primera vez que esto también es una propiedad de la región de transición y, por lo tanto, podría persistir en toda la atmósfera debido al mecanismo que hemos identificado, incluido el calentamiento de la corona solar, particularmente porque el viento solar es una manifestación de la corona expandiéndose hacia el espacio interplanetario «.
La siguiente pregunta, dijo Bahauddin, es si tales fenómenos están sucediendo al mismo ritmo en todo el sol. “Lo más probable es que la respuesta sea no”, dijo. “Entonces la pregunta es, ¿cuánto contribuyen al problema del calentamiento coronal? ¿Pueden suministrar suficiente energía a la atmósfera superior para que pueda mantener una corona de varios millones de grados?
“Lo que hemos mostrado para la región de transición fue una solución a una pieza importante del rompecabezas, pero el panorama general requiere que más piezas caigan en el lugar correcto”, dijo Bahauddin. “Creo que IRIS podrá informarnos sobre las piezas cromosféricas en un futuro próximo. Eso nos ayudará a construir una teoría unificada y global de la atmósfera del sol ”.
Referencia: «El origen de las iluminaciones transitorias mediadas por la reconexión en la región de transición solar» por Shah Mohammad Bahauddin, Stephen J. Bradshaw y Amy R. Winebarger, 7 de diciembre de 2020, Astronomía de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41550-020-01263-2