Prime indicazioni per spiegare perché l’atmosfera del Sole è molto più calda della superficie

Le immagini dallo spettrografo di imaging della regione dell’interfaccia, noto anche come IRIS, che si trova in orbita terrestre e dell’Atmospheric Imaging Assembly, alias AIA, mostrano la prova che i circuiti magnetici bassi vengono riscaldati a milioni di gradi Kelvin.
I ricercatori della Rice University, dell’Università di Boulder, in Colorado, e del Marshall Space Flight Center della NASA sostengono che gli ioni più pesanti, come il silicio, vengono riscaldati preferenzialmente sia dal vento solare che nella regione di transizione tra la cromosfera del sole e la corona.
Là, anelli di plasma magnetizzato si susseguono continuamente, non diversamente dai loro cugini nella corona superiore. Sono molto più piccoli e difficili da analizzare, ma a lungo si è pensato che ospitassero il meccanismo guidato magneticamente che rilascia esplosioni di energia sotto forma di nanoflares.
Il fisico solare della Rice, Stephen Bradshaw, ed i suoi colleghi erano tra coloro che lo sospettavano, ma nessuno aveva prove sufficienti prima delle rilevazioni di IRIS.
Lo spettrometro ad alta quota è stato costruito appositamente per osservare la regione di transizione del Sole. Nello studio, finanziato dalla NASA, pubblicato su Nature Astronomy, i ricercatori descrivono “schiarimenti” nei circuiti di riconnessione che contengono forti firme spettrali di ossigeno e, soprattutto, ioni di silicio più pesanti.
Il team di Bradshaw, il suo ex studente e autore principale Shah Mohammad Bahauddin, ora membro della facoltà di ricerca presso il Laboratory for Atmospheric and Space Physics in Colorado, e l’astrofisica della NASA Amy Winebarger hanno studiato le immagini di IRIS che hanno permesso di risolvere i dettagli di questi loop della regione di transizione e rilevare sacche di plasma surriscaldato. Le immagini hanno consentito di analizzare i movimenti e le temperature degli ioni all’interno dei circuiti attraverso la luce che emettono, letti come linee spettrali che fungono da “impronte digitali” chimiche.
“È nelle linee di emissione che viene impressa tutta la fisica“, ha detto Bradshaw, professore associato di fisica e astronomia. “L’idea era di imparare come queste minuscole strutture vengono riscaldate e sperare di dire qualcosa su come viene riscaldata la corona stessa. Questo potrebbe essere un meccanismo onnipresente che opera in tutta l’atmosfera solare“.
Le immagini hanno rivelato spettri di punti caldi in cui le linee sono state ampliate da effetti termici e Doppler, indicando non solo gli elementi coinvolti nei nanoflares ma anche le loro temperature e velocità.
I ricercatori hanno scoperto che, nei punti caldi, i getti di ricollegamento contenenti ioni di silicio si spostano verso il blu (vicino) e verso il rosso (lontano) dall’osservatore (IRIS) a velocità che arrivano fino a 100 chilometri al secondo. Nessuno spostamento Doppler è stato rilevato per gli ioni di ossigeno più leggeri.
I ricercatori hanno studiato due componenti del meccanismo: come l’energia esce dal campo magnetico e quindi come questa riscalda effettivamente il plasma.
La regione di transizione è a circa 10.000 gradi Fahrenheit, ma la convezione sulla superficie del sole influisce sugli anelli, attorcigliando e intrecciando i sottili fili magnetici che li compongono e aggiungendo energia ai campi magnetici che alla fine riscaldano il plasma, ha detto Bradshaw. “Le osservazioni IRIS hanno mostrato che il processo è in corso e siamo ragionevolmente sicuri che almeno una risposta alla prima parte sia data dalla riconnessione magnetica, di cui i getti sono una chiave di volta“, ha detto.
In questo processo, i campi magnetici dei fili di plasma si rompono e si ricollegano nei siti di intreccio in stati di energia inferiore, rilasciando l’energia magnetica immagazzinata. Dove questo avviene, il plasma si surriscalda.
Ma il modo in cui il plasma viene riscaldato dall’energia magnetica rilasciata è rimasto un enigma fino ad ora. “Abbiamo esaminato le regioni in queste piccole strutture ad anello in cui si stava verificando la riconnessione e misurato le linee di emissione degli ioni, principalmente silicio e ossigeno“, ha detto. “e Abbiamo scoperto che le righe spettrali degli ioni di silicio erano molto più ampie dell’ossigeno“.
Ciò indicava il riscaldamento preferenziale degli ioni di silicio. “Avevamo bisogno di spiegarlo“, ha detto Bradshaw. “Abbiamo esaminato e riflettuto e abbiamo scoperto che esiste un processo cinetico chiamato riscaldamento a ciclotrone ionico che favorisce il riscaldamento di ioni pesanti rispetto a quelli più leggeri“.
In pratica, secondo quanto spiegato da Bradshaw, le onde ioniche del ciclotrone sono generate nei siti di riconnessione. Le onde trasportate dagli ioni più pesanti sono più suscettibili ad un’instabilità che fa “rompere” le onde e genera turbolenze, che disperdono ed energizzano gli ioni. Questo amplia le loro linee spettrali oltre ciò che ci si aspetterebbe dalla sola temperatura locale del plasma. Nel caso degli ioni più leggeri, potrebbe non esserci energia sufficiente per riscaldarli. “Altrimenti, non superano la velocità critica necessaria per innescare l’instabilità, che è più veloce per gli ioni più leggeri“, ha detto.
“Nel vento solare, gli ioni più pesanti sono significativamente più caldi di quelli più leggeri“, ha detto Bradshaw. “Questo è stato definitivamente misurato. Il nostro studio mostra per la prima volta che questa è una proprietà anche della regione di transizione e potrebbe quindi persistere in tutta l’atmosfera a causa del meccanismo che abbiamo identificato, incluso il riscaldamento della corona solare“.
La domanda successiva, afferma Bahauddin, è se tali fenomeni si verificano alla stessa velocità in tutto il Sole. “Molto probabilmente la risposta è no“, ha detto. “Allora la domanda è: quanto contribuiscono al problema del riscaldamento coronale? Possono fornire energia sufficiente all’alta atmosfera in modo che possa mantenere una corona così calda?
“Quello che abbiamo mostrato per la regione di transizione è stata una soluzione a un pezzo importante del puzzle, ma il quadro generale richiede che più pezzi si inseriscano nel posto giusto“, ha detto Bahauddin. “Credo che IRIS sarà in grado di parlarci dei pezzi cromosferici nel prossimo futuro. Questo ci aiuterà a costruire una teoria unificata e globale dell’atmosfera solare“.
Fonte: Nature