Solens mystiske grensesjikt

I en spesialutgave av tidsskriftet Science den 17. oktober 2014, trykkes fem artikler som hver for seg presenterer viktige fremskritt mot en fullstendig forståelse av hvor den ytre solatmosfæren får energien sin fra. Forskere fra Institutt for teoretisk astrofysikk (ITA), UiO, er medforfattere på alle artiklene.

– Ved Institutt for teoretisk astrofysikk har Norge et av de sterkeste solfysikkmiljøene i verden, sier administrerende direktør i Norsk Romsenter Bo Andersen.

Hva vet vi om Solen?

Solen er selve kilden til all energi som gjør jordkloden beboelig. Den er også vår nærmeste stjerne, og vår eneste sjanse til å observere på nært hold fysiske prosesser som også skjer på andre stjerner som er mye lenger unna.

Det har vært gjort store fremskritt i forståelsen av hvordan fusjon er drivkraften i Solens 15 millioner grader varme kjerne, og av mekanismene som transporterer denne energien til den synlige overflaten (fotosfæren), hvor mesteparten av lyset som når oss på Jorden sendes ut fra.

De store gåtene: Solens ytre atmosfære og solvinden

Solens fotosfære er rundt 6000 grader varm. Beveger vi oss litt opp og bort fra Solen kommer vi til kromosfæren, som er opp mot 10 000 grader. Enda lenger ute finner vi den såkalte overgangssonen og til slutt koronaen, som er det det ytterste laget av solatmosfæren.

I koronaen er temperaturen flere millioner grader. Det er i den relativt sett tynne overgangssonen at temperaturen brått stiger til dette høye nivået.

Solens påvirkning strekker seg lenger ut enn de ytterste planetene i vårt solsystem. Heliosfæren er en slags enorm boble i rommet, som fylles av elektroner og protoner som med høy hastighet blåses ut fra Solen. Både jordkloden og alle de andre planetene i vårt solsystem befinner seg inni heliosfæren. 

Det er fortsatt store uløste spørsmål om hvordan både koronaen og heliosfæren blir drevet og formet.

Vi forstår ikke hvorfor eller hvordan temperaturen stiger fra 6000 grader på overflaten av Solen, til millioner av grader i koronaen. Like mystisk er solvinden, den konstante strømmen av partikler fra Solen som fyller heliosfæren.

Konsekvenser på Jorden

Voldsomme utbrudd og eksplosjoner på Solen er årsak til dårlig romvær, som kan true elektrisitetsnettet, satellitter og astronauter. Eksplosjonene har sitt utspring i forskjellige lag av solatmosfæren og solvinden.

Et viktig steg i prosessen med å forstå disse voldsomme hendelsene er å utforske hva som driver solatmsofæren også når den er relativt rolig.

Utforskersatellitten IRIS

I juni 2013 sendte NASA opp romfartøyet Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS) fra Vandenberg Air Force Base i California. IRIS går i bane rundt Jorden med et teleskop på 20 cm i diameter om bord.

IRIS bruker et gitter for å dele Solens lys i nært og fjernt ultrafiolett lys. Ultrafiolett lys (UV-stråling) fra Solen stammer nemlig hovedsakelig fra kromosfæren og overgangssonen. Disse to atmosfærelagene kalles på engelsk med et fellesord for «interface region», derav navnet på satelitten. På norsk bruker vi fellesbetegnelsen grensesjiktet.

– For å forstå hvorfor den ytre delen av solatmosfæren er så varm, må vi forstå hvordan energien transporteres gjennom de nedre atmosfærelagene. IRIS hjelper oss å studere lagene mellom fotosfæren og Solens korona, forteller professor Mats Carlsson ved Institutt for teoretisk astrofysikk (ITA).

Ny forskning tyder på at det er nettopp her i grensesjiktet, i overgangen mellom overflate og korona, at svarene til noen av de mest presserende uløste spørsmålene i solfysikk finnes.

Sammen med professor Viggo Hansteen ved ITA, er Mats Carlsson medforfatter på alle de fem artiklene i denne utgaven av Science. Professor Luc Rouppe van der Voort, post doc Tiago Pereira og phd-stipendiat Håkon Skogsrud fra ITA er også medforfattere.

Minieksplosjoner

I en av artiklene i Science er det funnet tydelige tegn på at det er partikler med høy energi som bærer eksplosjonsenergien fra små eksplosjoner i koronaen ned til grensesjiktet.

Påvisningen av slike partikler er svært spennede. De har nemlig lenge vært tenkt som en mulig teoretisk forklaring på koronaoppvarmingen, men har ikke tidligere blitt påvist.

Partiklene som sendes ut i eksplosjonene stråler ut energi når magnetiske feltlinjer som tidligere har vært skilt, kobles sammen igjen (såkalt magnetisk spleising, eller «magnetic reconnection» på engelsk). En slik kobling innebærer sterke strømmer og hurtig eller eksplosjonsartet oppvarming.

Resultatene gir føringer på modeller av den hittil dårlig forståtte mekanismen som akselererer partikler til høye energier, en mekanisme som antagelig også kan finnes i mange andre astrofysiske sammenhenger.

Finstruktur

I en annen av artiklene beskriver Hansteen og medforfattere funn av små magnetiske løkker i høyoppløste IRIS-bilder av overgangssonen.

– Disse løkkene finner vi igjen i avanserte tredimensjonale numeriske modeller laget ved Universitetet i Oslo, forteller Viggo Hansteen.

Modellene tar i bruk kunnskap om Solen og fysiske lover for å lage kunstige (simulerte) bilder som man kan sammenligne med observasjoner.

Funnet av disse løkkene løser en rekke problemer knyttet til forståelsen av strålingen fra dette atmosfærelaget. Resultatene gir støtte til det synspunktet at mye av strålingen ikke stammer fra gass i grensesjiktet mellom den varme koronaen og de kjøligere lagene under, men skjer i den nå oppløste «uoppløste finstrukturen».

– Tidligere bilder hadde ikke høy nok oppløsning til at det var mulig å finne disse løkkene, fortsetter Hansteen. – Men med IRIS kan man fokusere på små detaljer i overgangssonen.

– Løkkene beveger seg raskt og varer kun i minutter om gangen, forteller han.

Den nye innsikten fjerner en av de store hindringene i forståelsen av hvordan solatmosfæren er strukturet og åpner dermed veien for å lage bedre modeller av den øvre solatmosfæren.

En atmosfære snudd på hodet

I den tredje artikkelen beskriver forskerne hvordan høyoppløsningsspektroskopi kan vise at solatmosfæren av og til snus på hodet: varm, ionisert gass (plasma) på 100 000 grader er funnet nærmere soloverflaten enn tidligere trodd, i klem mellom kjøligere plasma både under og over.

Dette sandwhich-laget blir varmet opp av «bomber» der spleising av magnetiske feltlinjer fører til sterke strømmer og rask oppvarming. Dette overraskende resultatet vil sannsynligvis føre til revurderinger av andre fenomener i den nedre solatmosfæren, som for eksempel de mystiske Ellerman-bombene, som ble oppdaget for mer enn hundre år siden.

Små virvler

Bart De Pontieu er vitenskapelig leder for IRIS og professor II ved ITA. I en artikkel skrevet av ham sammen med blant andre professor Luc Rouppe van der Voort og phd-stipendiat Håkon Skogsrud ved ITA, beskrives en kromosfære yrende full av små slyngende bevegelser, nærmest små virvelstormer.

Bevegelsene de har beskrevet kommer fra små gassfingrene (spicules) som stikker opp over hele Solen. Én side av gassfingrene ser ut til å svinge mot oss mens den andre siden svinger bort fra oss. Konklusjonen er at magnetfeltene snurrer rundt, og gassfingrene følger etter.

– Det er vanskelig å skille de vridende bevegelsene fra de andre bevegelsene som gassfingrene gjør, forteller Luc Rouppe van der Voort.

Samtidig som de vrir på seg, kan gassfingrene også for eksempel svaie fra side til side i alle retninger. For å kunne skille bevegelsene fra hverandre, koordinerte forskerne IRIS-observasjoner med observasjoner tatt samtidig ved det svenske solteleskopet SST på La Palma. 

De slyngende bevegelsene er knyttet til oppvarming av gass til 100 000 grader eller mer. Dette kan være beviset på at solatmosfæren er fyllt av såkalte Alfvénbølgepulser, det vil si bølger som forplanter seg langs det magnetiske feltet i den ytre solatmosfæren.

– Samtidig som vi observerer de vridende bevegelsene, ser vi spektrallinjer som bare opptrer ved temperaturer på 100 000 grader eller mer, fortsetter Rouppe van der Voort.

– Dette forteller oss at gassen må være minst såpass varm.

Funnene i artikkelen gir støtte til nylig utviklede modeller av dynamikken og oppvarmingen av solatmosfæren.

Lysfontener

I den siste artikkelen beskrives oppdagelser som har betydning for dannelsen av selve solvinden. Forskerne har funnet såkalte «jets» ved roten av solvinden: fontener av plasma i høy hastighet som antagelig går gjennom rask oppvarming fra kromosfære- til overgangssonetemperaturer.

Disse observasjonene gir støtte til forslag om at koronaen, som mater solvinden, ikke nødvendigvis fylles ved forsiktig fordampning gjennom hurtig ekspanderede magnetiske ”rør”, slik man tidligere har trodd, men heller eksplosivt ved hjelp av slike kortlivede fontener.

Flere fremskritt i vente

Sammen danner disse forskningsartiklene viktige biter av puslespillet som må legges dersom en skal forstå hvordan Solen former og påvirker heliosfæren. Med solaktivitet på høyt nivå i tiden fremover kan man forvente flere fremskritt fra IRIS, spesielt med tanke på eksplosjoner og utbrudd på Solen.

Norsk Romsenter har støttet ITAs solfysikkmiljø gjennom innsatser knyttet til bakkestasjoner og dataarkiv for satellittene Hinode og IRIS.

– Det er viktig for våre internasjonale partnere i spesielt IRIS-satellitten, som NASA, at vi bruker vår infrastruktur som gir våre forskningsmiljø bedre muligheter, forteller administrerende direktør Bo Andersen.

Artikkelen er basert på en oppsummeringsartikkel i Science, skrevet av Bart De Pontieu og Alan Title, Lockheed Martin Solar & Astrophysics Laboratory, Palo Alto, CA, USA, Mats Carlsson, Institutt for teoretisk astrofysikk, UiO, Norge. Oversatt til norsk og bearbeidet av Anna Kathinka Dalland Evans, Mats Carlsson og Viggo Hansteen.