Un phénomène détecté pour la première fois dans le vent solaire peut aider à résoudre un mystère de longue date sur le soleil :pourquoi l'atmosphère solaire est des millions de degrés plus chaude que la surface.

Images du spectrographe imageur de la région d'interface en orbite autour de la Terre, alias IRIS, et l'Assemblée d'imagerie atmosphérique, alias AIA, montrent que les boucles magnétiques de basse altitude sont chauffées à des millions de degrés Kelvin.

Chercheurs de l'Université Rice, l'Université du Colorado Boulder et le Marshall Space Flight Center de la NASA font valoir que les ions plus lourds, comme le silicium, sont préférentiellement chauffés à la fois par le vent solaire et dans la zone de transition entre la chromosphère et la couronne solaires.

Là, boucles d'arc plasma magnétisé en continu, un peu comme leurs cousins ​​​​dans la couronne ci-dessus. Ils sont beaucoup plus petits et difficiles à analyser, mais on pense depuis longtemps qu'ils abritent le mécanisme à entraînement magnétique qui libère des rafales d'énergie sous la forme de nanoflares.

Le physicien solaire de Rice Stephen Bradshaw et ses collègues étaient parmi ceux qui le soupçonnaient, mais aucun n'avait de preuves suffisantes avant IRIS.

Le spectromètre de haut vol a été construit spécifiquement pour observer la région de transition. Dans l'étude financée par la NASA, qui apparaît dans Astronomie de la nature , les chercheurs décrivent des "éclaircissements" dans les boucles de reconnexion qui contiennent de fortes signatures spectrales d'oxygène et, surtout, des ions silicium plus lourds.

L'équipe de Bradshaw, son ancien élève et auteur principal Shah Mohammad Bahauddin, maintenant membre du corps professoral de recherche au Laboratoire de physique atmosphérique et spatiale du Colorado, et l'astrophysicienne de la NASA Amy Winebarger a étudié des images IRIS capables de résoudre les détails de ces boucles de région de transition et de détecter des poches de plasma super chaud. Les images leur permettent d'analyser les mouvements et les températures des ions au sein des boucles via la lumière qu'ils émettent, lire comme des raies spectrales qui servent d'« empreintes digitales » chimiques.

"C'est dans les raies d'émission que toute la physique est imprimée, " dit Bradshaw, professeur agrégé de physique et d'astronomie. "L'idée était d'apprendre comment ces minuscules structures sont chauffées et d'espérer dire quelque chose sur la façon dont la couronne elle-même est chauffée. Cela pourrait être un mécanisme omniprésent qui fonctionne dans toute l'atmosphère solaire."

Les images ont révélé des spectres de points chauds où les raies ont été élargies par des effets thermiques et Doppler, indiquant non seulement les éléments impliqués dans les nanoflares mais aussi leurs températures et vitesses.

Aux points chauds, ils ont trouvé des jets de reconnexion contenant des ions de silicium déplacés vers (décalage bleu) et loin de (décalage rouge) l'observateur (IRIS) à des vitesses allant jusqu'à 100 kilomètres par seconde. Aucun décalage Doppler n'a été détecté pour les ions oxygène plus légers.

Les chercheurs ont étudié deux composants du mécanisme :comment l'énergie sort du champ magnétique, et ensuite comment il chauffe réellement le plasma.

La région de transition n'est que d'environ 10, 000 degrés Fahrenheit, mais la convection à la surface du soleil affecte les boucles, torsader et tresser les brins magnétiques minces qui les composent, et ajoute de l'énergie aux champs magnétiques qui chauffent finalement le plasma, dit Bradshaw. "Les observations d'IRIS ont montré que ce processus avait lieu et nous sommes raisonnablement sûrs qu'au moins une réponse à la première partie est par reconnexion magnétique, dont les jets sont une signature clé, " il a dit.

Dans ce processus, les champs magnétiques des brins de plasma se cassent et se reconnectent aux sites de tressage dans des états d'énergie plus faibles, libérant l'énergie magnétique stockée. Où cela se passe, le plasma devient surchauffé.

Mais comment le plasma est chauffé par l'énergie magnétique libérée est resté un puzzle jusqu'à présent. "Nous avons examiné les régions de ces petites structures en boucle où la reconnexion avait lieu et mesuré les raies d'émission des ions, principalement du silicium et de l'oxygène, " dit-il. "Nous avons trouvé que les raies spectrales des ions silicium étaient beaucoup plus larges que celles de l'oxygène."

Cela indiquait un chauffage préférentiel des ions silicium. "Nous avions besoin de l'expliquer, " a déclaré Bradshaw. " Nous avons examiné et réfléchi et il s'avère qu'il existe un processus cinétique appelé chauffage par cyclotron ionique qui favorise le chauffage des ions lourds par rapport aux plus légers. "

Il a déclaré que des ondes cyclotron ioniques sont générées sur les sites de reconnexion. Les ondes portées par les ions les plus lourds sont plus sensibles à une instabilité qui fait "casser" les ondes et génèrent des turbulences, qui diffuse et énergise les ions. Cela élargit leurs raies spectrales au-delà de ce qui serait attendu de la seule température locale du plasma. Dans le cas des ions plus légers, il se peut qu'il ne reste pas assez d'énergie pour les chauffer. "Autrement, ils ne dépassent pas la vitesse critique nécessaire pour déclencher l'instabilité, ce qui est plus rapide pour les ions plus légers, " il a dit.

"Dans le vent solaire, les ions plus lourds sont nettement plus chauds que les ions plus légers, " Bradshaw a déclaré. "Cela a été définitivement mesuré. Notre étude montre pour la première fois que c'est aussi une propriété de la région de transition, et pourrait donc persister dans toute l'atmosphère en raison du mécanisme que nous avons identifié, y compris le chauffage de la couronne solaire, d'autant plus que le vent solaire est une manifestation de l'expansion de la couronne dans l'espace interplanétaire."

La question suivante, Bahauddin a dit, est de savoir si de tels phénomènes se produisent au même rythme partout dans le soleil. "La réponse est probablement non, " dit-il. " Alors la question est, dans quelle mesure contribuent-ils au problème de chauffage coronal? Peuvent-ils fournir suffisamment d'énergie à la haute atmosphère pour qu'elle puisse maintenir une couronne de plusieurs millions de degrés ?

"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."