Un instrument en orbite indique que l'énergie magnétique stockée chauffe l'atmosphère solaire

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 plus chaude de plusieurs millions de degrés que la surface. Les images du spectrographe d'imagerie de la région d'interface en orbite terrestre (IRIS) et de l'Assemblée d'imagerie atmosphérique (AIA) montrent que les boucles magnétiques basses sont chauffées à des millions de degrés Kelvin.

Des chercheurs de l'Université Rice, de l'Université du Colorado à Boulder et du Marshall Space Flight Center de la NASA affirment que les ions plus lourds, tels que le silicium, sont préférentiellement chauffés à la fois dans le vent solaire et dans la région de transition entre la chromosphère et la couronne du soleil. Là, des boucles de plasma magnétisé s'allument 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 faisaient partie de 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, les chercheurs décrivent des "éclaircissements" dans les boucles de reconnexion qui contiennent de fortes signatures spectrales d'oxygène et, en particulier, des ions de silicium plus lourds.

L'équipe de Bradshaw, son ancien élève 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 ont étudié des images IRIS capables de résoudre les détails de ces boucles de région de transition et de détecter des poches de super -plasma chaud. Les images leur permettent d'analyser les mouvements et les températures des ions dans les boucles via la lumière qu'ils émettent, lues comme des lignes spectrales qui servent d'"empreintes digitales" chimiques.

"C'est dans les lignes d'émission que toute la physique est imprimée", a déclaré 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. Il pourrait s'agir d'un mécanisme omniprésent qui opère dans toute l'atmosphère solaire. »

Les images ont révélé des spectres de points chauds où les raies étaient élargies par des effets thermiques et Doppler, indiquant non seulement les éléments impliqués dans les nanoflares mais aussi leurs températures et leurs vitesses. Aux points chauds, ils ont trouvé des jets de reconnexion contenant des ions de silicium déplacés vers (décalage vers le bleu) et loin de (décalage vers le rouge) l'observateur (IRIS) à des vitesses allant jusqu'à 100 kilomètres par seconde. Aucun décalage Doppler n'a été détecté pour les ions d'oxygène plus légers.

Les chercheurs ont étudié deux composants du mécanisme :comment l'énergie sort du champ magnétique, puis comment elle 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, tordant et tressant les minces brins magnétiques qui les composent, et ajoute de l'énergie aux champs magnétiques qui finalement chauffent le plasma, a déclaré Bradshaw. "Les observations d'IRIS ont montré que ce processus était en cours et nous sommes raisonnablement sûrs qu'au moins une réponse à la première partie passe par la reconnexion magnétique, dont les jets sont une signature clé", a-t-il déclaré.

Dans ce processus, les champs magnétiques des brins de plasma se brisent et se reconnectent aux sites de tressage dans des états d'énergie plus faibles, libérant l'énergie magnétique stockée. Là où cela se produit, le plasma devient surchauffé. Mais la façon dont le plasma est chauffé par l'énergie magnétique libérée est restée un casse-tête 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", a-t-il déclaré. "Nous avons découvert que les raies spectrales des ions de silicium étaient beaucoup plus larges que celles de l'oxygène."

Cela indique un chauffage préférentiel des ions de silicium. "Nous devions l'expliquer", a déclaré Bradshaw. "Nous avons jeté un coup d'œil et réfléchi et il s'est avéré qu'il existe un processus cinétique appelé chauffage par cyclotron ionique qui favorise le chauffage des ions lourds par rapport aux ions plus légers." Il a déclaré que des ondes cyclotroniques 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 génère des turbulences qui dispersent et dynamisent les ions. Cela élargit leurs raies spectrales au-delà de ce que l'on pourrait attendre de la seule température locale du plasma. Dans le cas des ions plus légers, l'énergie restante peut être insuffisante pour les chauffer. "Sinon, ils ne dépassent pas la vitesse critique nécessaire pour déclencher l'instabilité, qui est plus rapide pour les ions plus légers", a-t-il déclaré.

"Dans le vent solaire, les ions plus lourds sont nettement plus chauds que les ions plus légers", a déclaré Bradshaw. « Cela a été définitivement mesuré. Notre étude montre pour la première fois qu'il s'agit également d'une propriété de la région de transition et pourrait donc persister dans toute l'atmosphère en raison du mécanisme que nous avons identifié, notamment le réchauffement de la couronne solaire, d'autant plus que le vent solaire est une manifestation de la couronne s'étendant dans l'espace interplanétaire."

La question suivante, a déclaré Bahauddin, est de savoir si de tels phénomènes se produisent au même rythme partout dans le soleil. "Très probablement, la réponse est non", a-t-il déclaré. "Alors la question est de savoir 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 ?