Ett fenomen som först upptäcktes i solvinden kan hjälpa till att lösa ett långvarigt mysterium om solen:varför solatmosfären är miljontals grader varmare än ytan.

Bilder från avbildningsspektrografen för den jordomloppsbana gränssnittet, aka IRIS, och Atmospheric Imaging Assembly, aka AIA, visa bevis på att lågt liggande magnetslingor värms upp till miljontals grader Kelvin.

Forskare vid Rice University, University of Colorado Boulder och NASA:s Marshall Space Flight Center hävdar att tyngre joner, som kisel, värms företrädesvis upp i både solvinden och i övergångsområdet mellan solens kromosfär och korona.

Där, slingor av magnetiserad plasma bågar kontinuerligt, inte olikt deras kusiner i corona ovan. De är mycket mindre och svåra att analysera, men har länge ansetts hysa den magnetiskt drivna mekanismen som släpper ut energiskurar i form av nanoflares.

Ris solfysiker Stephen Bradshaw och hans kollegor var bland dem som misstänkte så mycket, men ingen hade tillräckliga bevis innan IRIS.

Den högtflygande spektrometern byggdes speciellt för att observera övergångsregionen. I den NASA-finansierade studien, som dyker upp i Natur astronomi , forskarna beskriver "ljusningar" i återanslutningsslingorna som innehåller starka spektrala signaturer av syre och, framförallt, tyngre kiseljoner.

Teamet av Bradshaw, hans tidigare student och huvudförfattare Shah Mohammad Bahauddin, nu en forskningsfakultetsmedlem vid Laboratory for Atmospheric and Space Physics i Colorado, och NASA-astrofysikern Amy Winebarger studerade IRIS-bilder som kunde lösa detaljer i dessa övergångsregionslingor och upptäcka fickor med superhet plasma. Bilderna låter dem analysera jonernas rörelser och temperaturer i slingorna via ljuset de avger, läsas som spektrallinjer som fungerar som kemiska "fingeravtryck".

"Det är i emissionslinjerna där all fysik är inpräntad, sa Bradshaw, en docent i fysik och astronomi. "Tanken var att lära sig hur dessa små strukturer värms upp och hoppas kunna säga något om hur själva koronan värms upp. Detta kan vara en allestädes närvarande mekanism som verkar i hela solatmosfären."

Bilderna avslöjade hotspot-spektra där linjerna breddades av termiska och dopplereffekter, indikerar inte bara de element som är involverade i nanoflares utan även deras temperaturer och hastigheter.

På de heta platserna, de hittade återanslutande jetstrålar innehållande kiseljoner som rörde sig mot (blåskiftade) och bort från (rödskiftade) observatören (IRIS) i hastigheter upp till 100 kilometer per sekund. Inget Dopplerskifte detekterades för de lättare syrejonerna.

Forskarna studerade två komponenter i mekanismen:hur energin kommer ut ur magnetfältet, och sedan hur det faktiskt värmer plasman.

Övergångsregionen är bara cirka 10, 000 grader Fahrenheit, men konvektion på solens yta påverkar slingorna, vrida och fläta de tunna magnetiska trådarna som består av dem, och tillför energi till magnetfälten som i slutändan värmer plasman, sa Bradshaw. "IRIS-observationerna visade att processen äger rum och vi är ganska säkra på att åtminstone ett svar på den första delen är genom magnetisk återanslutning, där jetstrålarna är en nyckelsignatur, " han sa.

I den processen, plasmasträngarnas magnetfält bryts och återansluts vid flätningsställen till lägre energitillstånd, frigör lagrad magnetisk energi. Där detta sker, plasman blir överhettad.

Men hur plasma värms upp av den frigjorda magnetiska energin har förblivit ett pussel fram till nu. "Vi tittade på regionerna i dessa små slingstrukturer där återkoppling ägde rum och mätte emissionslinjerna från jonerna, främst kisel och syre, " sa han. "Vi fann att kiseljonernas spektrallinjer var mycket bredare än syret."

Detta indikerade föredragen uppvärmning av kiseljonerna. "Vi behövde förklara det, " sa Bradshaw. "Vi tittade och funderade och det visar sig att det finns en kinetisk process som kallas joncyklotronuppvärmning som gynnar uppvärmning av tunga joner framför lättare."

Han sa att joncyklotronvågor genereras vid återkopplingsplatserna. Vågorna som bärs av de tyngre jonerna är mer mottagliga för en instabilitet som gör att vågorna "bryts" och genererar turbulens, som sprider och aktiverar jonerna. Detta breddar deras spektrala linjer utöver vad som skulle förväntas från enbart plasmans lokala temperatur. När det gäller de lättare jonerna, det kan finnas otillräcklig energi över för att värma dem. "Annat, de överskrider inte den kritiska hastighet som behövs för att utlösa instabiliteten, vilket är snabbare för lättare joner, " han sa.

"I solvinden, tyngre joner är betydligt varmare än lättare joner, " sade Bradshaw. "Det har blivit definitivt uppmätt. Vår studie visar för första gången att detta också är en egenskap hos övergångsregionen, och kan därför kvarstå i hela atmosfären på grund av den mekanism vi har identifierat, inklusive uppvärmning av solkoronan, speciellt eftersom solvinden är en manifestation av koronan som expanderar in i det interplanetära rummet."

Nästa fråga, Bahauddin sa, är om sådana fenomen sker i samma takt över hela solen. "Antagligen är svaret nej, " sa han. "Då är frågan, hur mycket bidrar de till problemet med koronal uppvärmning? Kan de leverera tillräckligt med energi till den övre atmosfären så att den kan upprätthålla en mångmiljongradig korona?

"What we've shown for the transition region was a solution to an important piece of the puzzle, but the big picture requires more pieces to fall in the right place, " Bahauddin said. "I believe IRIS will be able to tell us about the chromospheric pieces in the near future. That will help us build a unified and global theory of the sun's atmosphere."