Det är ett av de största och mest långvariga mysterierna som omger, ganska bokstavligt, vår sol - varför är dess yttre atmosfär varmare än dess eldiga yta?

University of Michigan forskare tror att de har svaret, och hoppas kunna bevisa det med hjälp av NASA:s Parker Solar Probe. Om ungefär två år, sonden kommer att vara den första konstgjorda farkost som kommer in i zonen som omger solen där uppvärmning ser fundamentalt annorlunda ut än vad som tidigare setts i rymden. Detta kommer att tillåta dem att testa sin teori om att uppvärmningen beror på små magnetiska vågor som färdas fram och tillbaka inom zonen.

Att lösa gåtan skulle göra det möjligt för forskare att bättre förstå och förutsäga solväder, som kan utgöra allvarliga hot mot jordens elnät. Och steg ett är att avgöra var uppvärmningen av solens yttre atmosfär börjar och slutar – ett pussel utan brist på teorier.

Väl inom denna zon, Parker Solar Probe hjälper till att avgöra vad som orsakar uppvärmningen genom att direkt mäta magnetfälten och partiklarna där.

"Oavsett vad fysiken ligger bakom denna överhettning, det är ett pussel som har stirrat oss i ögonen i 500 år, sa Justin Kasper, en U-M professor i klimat- och rymdvetenskap och en huvudutredare för Parker-uppdraget. "Om bara två år till kommer Parker Solar Probe äntligen avslöja svaret."

U-M-teorin läggs fram i ett papper, Stark preferentiell jonuppvärmning är begränsad till inom Solar Alfven-ytan, publicerad 4 juni i The Astrofysiska tidskriftsbrev .

I denna "zon med förmånlig uppvärmning" ovanför solens yta, temperaturen stiger totalt sett. Ännu mer bisarrt, enskilda element värms upp till olika temperaturer, eller helst. Vissa tyngre joner överhettas tills de är tio gånger varmare än det väte som finns överallt i detta område – varmare än solens kärna.

Så höga temperaturer gör att solatmosfären sväller till många gånger solens diameter och de är anledningen till att vi ser den utsträckta koronan under solförmörkelser. I det avseendet, Kasper säger:mysteriet med koronal uppvärmning har varit synligt för astronomer i mer än ett halvt årtusende, även om de höga temperaturerna bara uppskattades under det senaste århundradet.

Samma zon har hydromagnetiska "Alfvén-vågor" som rör sig fram och tillbaka mellan dess yttersta kant och solens yta. I den yttersta kanten, kallad Alfvén-punkten, solvinden rör sig snabbare än Alfvéns hastighet, och vågorna kan inte längre resa tillbaka till solen.

"När du är under Alfvén-punkten, du är i denna vågsoppa, sa Kasper. "Laddade partiklar avleds och accelereras av vågor som kommer från alla håll."

När man försöker uppskatta hur långt från solens yta denna förmånliga uppvärmning slutar, U-M:s team undersökte årtionden av observationer av solvinden av NASA:s rymdfarkoster Wind. De tittade på hur mycket av heliums ökade temperatur nära solen som sköljdes ut av kollisioner mellan joner i solvinden när de reste ut till jorden. Att se hur heliumtemperaturen sjunker gjorde att de kunde mäta avståndet till zonens ytterkant.

"Vi tar all data och behandlar den som ett stoppur för att ta reda på hur lång tid som har förflutit sedan vinden överhettades, " sa Kasper. "Eftersom jag vet hur snabbt den vinden rör sig, Jag kan omvandla informationen till ett avstånd."

Dessa beräkningar sätter ytterkanten av överhettningszonen ungefär 10 till 50 solradier från ytan. Det var omöjligt att vara mer definitiv eftersom vissa värden bara gick att gissa sig till.

Initialt, Kasper tänkte inte jämföra sin uppskattning av zonens läge med Alfvén-punkten, men han ville veta om det fanns en fysiskt meningsfull plats i rymden som producerade den yttre gränsen. Efter att ha läst att Alfvén-punkten och andra ytor har observerats expandera och dra ihop sig med solaktivitet, han och medförfattaren Kristopher Klein, en tidigare U-M postdoc och ny fakultet vid University of Arizona, omarbetade sin analys och tittade på förändringar från år till år snarare än att överväga hela Wind-uppdraget.

"Till min chock, den yttre gränsen för zonen med förmånlig uppvärmning och Alfvén-punkten rörde sig i låst steg på ett helt förutsägbart sätt trots att de var helt oberoende beräkningar, " sa Kasper. "Du överplanerar dem, och de gör exakt samma sak över tiden."

Så markerar Alfvén-punkten ytterkanten av värmezonen? Och vad exakt förändras under Alfvén-punkten som överhettar tunga joner? Vi borde veta inom de närmaste åren. Parker Solar Probe lyfte i augusti 2018 och hade sin första möte med solen i november 2018 – när den redan närmar sig solen än något annat mänskligt skapat föremål.

Under de kommande åren, Parker kommer att komma ännu närmare för varje pass tills sonden faller under Alfvén-punkten. I sin tidning förutspår Kasper och Klein att den bör komma in i zonen med förmånlig uppvärmning 2021 när gränsen expanderar med ökande solaktivitet. . Sedan kommer NASA att ha information direkt från källan för att svara på alla möjliga långvariga frågor.

"Med Parker Solar Probe kommer vi att definitivt kunna bestämma genom lokala mätningar vilka processer som leder till accelerationen av solvinden och den föredragna uppvärmningen av vissa element, ", sa Klein. "Förutsägelserna i detta dokument tyder på att dessa processer fungerar under Alfvéns yta, en region nära solen som ingen rymdfarkost har besökt, vilket innebär att dessa förmånliga uppvärmningsprocesser aldrig tidigare har mätts direkt."

Kasper är huvudutredare av Solar Wind Electrons Alphas and Protons (SWEAP) undersökning av Parker Solar Probe. SWEAPs sensorer öser upp solvinden och koronala partiklar under varje möte för att mäta hastighet, temperatur, och densitet och kasta ljus över uppvärmningsmysteriet.

Tidningen heter, "Stark preferentiell jonuppvärmning är begränsad till inom Solar Alfven-ytan."