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IRIS, HINODE e il mistero della corona solare

A sinistra, un’immagine del Sole ripresa dal satellite SDO/AIA nella banda dell’estremo ultravioletto (falsi colori). A destra, un’immagine di una protuberanza visibile sul bordo della superficie solare, ripresa dallo strumento Hinode/SOT in luce visibile (falsi colori).
A sinistra, un’immagine del Sole ripresa dal satellite SDO/AIA nella banda dell’estremo ultravioletto (falsi colori). A destra, un’immagine di una protuberanza visibile sul bordo della superficie solare, ripresa dallo strumento Hinode/SOT in luce visibile (falsi colori). Credit: Image courtesy of National Institutes of Natural Sciences

Combinando le osservazioni ad alta risoluzione del satellite HINODE della JAXA, quelle della missione IRIS (Interface Region Imaging Spectrograph) della NASA ed una simulazione numerica con il supercomputer ATERUI del National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), i team di ricerca, guidati da Joten Okamoto della Nagoya University e da Patrick Antolin del National Astronomical Observatory del Giappone, sono riusciti a catturare le prime osservazioni dirette dell'assorbimento risonante, un processo da tempo ritenuto responsabile del riscaldamento coronale.

La ricerca è stata pubblicata in due documenti sulla rivista The Astrophysical Journal.

Il Sole produce energia dal nucleo, fondendo idrogeno: allontanandosi, i diversi strati che lo avvolgano diventano via via più freddi, tranne la corona, la fascia più esterna, che è centinaia di volte più calda della fotosfera, lo strato sottostante.

"Da oltre 30 anni gli scienziati hanno ipotizzato un meccanismo per spiegare queste ondate di calore del plasma", ha detto Antolin. "Una parte essenziale di questo processo è chiamato assorbimento risonante che ora abbiamo potuto osservare direttamente per la prima volta".

Due sono state le teorie prevalenti in questi anni.
La prima prendeva in considerazione i brillamenti, i quali, però, sebbene convertano grandi quantità di energia magnetica in termica, non sono così frequenti da riuscire a mantenere la corona "in temperatura". Era stato così introdotto il concetto dei "nanoflare" (nano-brillamenti), frequenti eruzioni solari in miniatura però mai rilevate.
La seconda ipotesi, invece, si basava, sulle onde magnetiche. Grazie alla missione HINODE, dal 2006 sappiamo che l'atmosfera del Sole è permeata dalle onde Alfvén (un tipo di onda magnetoidrodinamica), che possono trasportare grandi quantità di energia lungo le linee del campo magnetico. Fino ad oggi, quindi, gli scienziati supponevano che il campo magnetico del Sole giocasse un ruolo fondamentale ma non era chiaro come l'energia magnetica venisse convertita così efficacemente nella corona.

I nuovi dati hanno mostrato che l'assorbimento risonante è un ottimo candidato per risolvere un mistero durato circa 70 anni, il cosiddetto "problema della temperatura coronale", e spiegare come la corona raggiunge temperature dell'ordine di un milione di gradi Celsius.

L'assorbimento risonante è quel processo fisico in cui diversi tipi di onde magnetiche risuonano, rafforzandone una, così come una spinta ripetuta e sincronizzata può amplificare un'oscillazione. La ricerca si è concentrata sulle onde Alfvén che si possono propagare lungo una protuberanza solare (o filamento), la struttura filamentosa di gas "freddo" (tipicamente a 10.000 gradi Celsius) e denso che galleggia nella corona, alla quale è agganciata tramite reti magnetiche.

Le firme di questi moti ondosi avvengono in tre dimensioni, rendendoli difficili da osservare senza un lavoro congiunto tra diverse missioni.
HINODE ed IRIS hanno rilevato, rispettivamente, l'assorbimento risonante durante la propagazione di onde trasversali e torsionali, da nostro punto di vista (plane-of-sky), onde che generano quel flusso turbolento in grado di riscaldare la protuberanza.
HINODE è un satellite per l'osservazione diretta e quindi le sue foto ad alta risoluzione hanno permesso di individuare i movimenti sul piano bidimensionale dell'immagine (su/giù, destra/sinistra); IRIS, invece, che è dedicato alla spettroscopia solare, ha misurato la temperatura della protuberanza nella direzione di osservazione su diverse lunghezze d'onda. Così come cambia il suono di una sirena che di avvicina o si allontana da noi, le onde di luce possono allungarsi o comprimersi a seconda se la sorgente si sta muovendo verso o lontano dall'osservatore.

I dati ottenuti hanno mostrato che questi movimenti hanno caratteristiche coerenti con i modelli di riscaldamento coronale, mentre, ad ulteriore conferma del loro effetto, la temperatura del filamento esaminato saliva da circa 10.000 gradi Celsius ad oltre 100.000 gradi Celsius.

Assorbimento risonante

Supercomputer ATERUI: Simulazione di una sezione trasversale di un filamento solare.
Credit: NAOJ / Patrick Antolin

Per ora queste osservazioni sono state prese in una regione di transizione ma i ricercatori ritengono che il meccanismo potrebbe essere comune in tutta la corona. La prossima fase sarà quella di verificare il ruolo dell'assorbimento risonante nelle temperature coronali su larga scala.

RESONANT ABSORPTION OF TRANSVERSE OSCILLATIONS AND ASSOCIATED HEATING IN A SOLAR PROMINENCE. I. OBSERVATIONAL ASPECTS [abstract]

Transverse magnetohydrodynamic waves have been shown to be ubiquitous in the solar atmosphere and can, in principle, carry sufficient energy to generate and maintain the Sun's million-degree outer atmosphere or corona. However, direct evidence of the dissipation process of these waves and subsequent heating has not yet been directly observed. Here we report on high spatial, temporal, and spectral resolution observations of a solar prominence that show a compelling signature of so-called resonant absorption, a long hypothesized mechanism to efficiently convert and dissipate transverse wave energy into heat. Aside from coherence in the transverse direction, our observations show telltale phase differences around 180° between transverse motions in the plane-of-sky and line-of-sight velocities of the oscillating fine structures or threads, and also suggest significant heating from chromospheric to higher temperatures. Comparison with advanced numerical simulations support a scenario in which transverse oscillations trigger a Kelvin–Helmholtz instability (KHI) at the boundaries of oscillating threads via resonant absorption. This instability leads to numerous thin current sheets in which wave energy is dissipated and plasma is heated. Our results provide direct evidence for wave-related heating in action, one of the candidate coronal heating mechanisms.

RESONANT ABSORPTION OF TRANSVERSE OSCILLATIONS AND ASSOCIATED HEATING IN A SOLAR PROMINENCE. II. NUMERICAL ASPECTS [abstract]

Transverse magnetohydrodynamic (MHD) waves are ubiquitous in the solar atmosphere and may be responsible for generating the Sun's million-degree outer atmosphere. However, direct evidence of the dissipation process and heating from these waves remains elusive. Through advanced numerical simulations combined with appropriate forward modeling of a prominence flux tube, we provide the observational signatures of transverse MHD waves in prominence plasmas. We show that these signatures are characterized by a thread-like substructure, strong transverse dynamical coherence, an out-of-phase difference between plane-of-the-sky motions and line-of-sight velocities, and enhanced line broadening and heating around most of the flux tube. A complex combination between resonant absorption and Kelvin–Helmholtz instabilities (KHIs) takes place in which the KHI extracts the energy from the resonant layer and dissipates it through vortices and current sheets, which rapidly degenerate into turbulence. An inward enlargement of the boundary is produced in which the turbulent flows conserve the characteristic dynamics from the resonance, therefore guaranteeing detectability of the resonance imprints. We show that the features described in the accompanying paper through coordinated Hinode and Interface Region Imaging Spectrograph observations match the numerical results well.

 

Riferimenti:
- http://www.sciencedaily.com/releases/2015/08/150824064742.htm
- http://phys.org/news/2015-08-iris-hinode-stellar-team.html
- http://www.media.inaf.it/2015/08/24/il-mistero-della-corona-solare/

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Elisabetta Bonora

Sono una image processor e science blogger appassionata di astronomia, spazio, fisica e tecnologia, affascinata fin da bambina dal passato e dal futuro.
Dal 2009 elaboro le immagini raw delle missioni spaziali insieme a Marco Faccin ed ho creato questo blog ad agosto 2012, in occasione dello sbarco del rover Curiosity su Marte.
Per lavoro mi occupo di digital advertising, web e video analytics presso Shiny (SV – Italia) ma passo la maggior parte del tempo libero su questo sito e tra i cataloghi delle foto scattate dalle sonde e dai rover inviati nel nostro Sistema Solare "per esplorare nuovi mondi, alla ricerca di nuove forme di vita, per arrivare là dove nessuno è mai giunto prima!" ...Ovviamente, è chiaro, sono una fan di Star Trek!

Sito web: https://twitter.com/EliBonora
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