Solkoronas milliongradersgåde: Spiller kosmisk støv en overset rolle?

Solens ydre atmosfære, koronaen, når temperaturer på 1-3 millioner °C – hundredvis af gange varmere end den synlige overflade nedenunder . Dette trodser basal termodynamik, da varme ikke burde strømme fra en køligere overflade på ca. 5.500 °C til en varmere ydre atmosfære. Dette fænomen, kendt som koronaopvarmningsproblemet, er et af de mest genstridige uløste spørgsmål i astrofysikken .

Mens magnetiske bølger og nanoflares er de førende kandidater, findes der en mindre kendt idé om, at kosmiske støvkorn nær Solen kan spille en rolle. Kan disse mikroskopiske partikler, fanget mellem deres egen inerti og elektromagnetiske kræfter, være med til at opvarme koronaen?

Koronaopvarmningsproblemet: Hvad vi ved

De to dominerende modeller for koronaopvarmning er:

• Bølgeopvarmning: Magnetiske eller turbulente bølger, der skabes af bevægelser under Solens overflade, bevæger sig opad og afgiver deres energi i koronaen .
• Nanoflare-opvarmning: Utallige små magnetiske genforbindelsesbegivenheder – mikroflares og nanoflares – frigiver energi, der tilsammen opvarmer koronaen .

Ingen enkelt forklaring er universelt accepteret, og mekanismen er stadig usikker . Observationer fra Parker Solar Probe har leveret bevis for, at magnetiske bølger drevet af turbulens under overfladen kan overføre energi til ioner, hvilket understøtter bølge-modellerne . Andre studier peger på nanoflares som en nøglefaktor, idet røntgenobservationer viser plasma ved temperaturer på 10 millioner K, som kun kan skabes af impulsive energibursts .

Hvor passer kosmiske støvkorn ind?

Tætheden af støv stiger mod Solen og når et maksimum i F-koronaen, hvor støvspredt hvidt lys dominerer over elektron-K-koronaen ud over ca. 3 solradier . Nær Solen bliver støvpartikler elektrisk ladede ved at blive udsat for intens ultraviolet stråling og plasmaflow .

Deres potentielle rolle i koronaopvarmning er indirekte, men værd at undersøge:

• Materialetilførsel: Når støvkorn ødelægges ved kollisioner eller sublimation nær Solen, tilfører de atomer og ioner til det lokale miljø og bidrager med tunge ioner til solvinden og koronaen .
• Dynamik for ladede nanopartikler: Meget små korn (1-10 nm) kan have en høj ladning-til-masse-forhold, hvilket gør deres bevægelse stærkt påvirket af elektromagnetiske kræfter. En foreslået mekanisme til at forlænge opholdstiden for varme korn nær stjernen er magnetisk indfangning af ladede nanopartikler .

Det er dog vigtigt at understrege, at støvdrevet opvarmning ikke er en primær kandidat i den etablerede koronaopvarmningslitteratur. De medfølgende kilder fremhæver konsekvent bølgeopvarmning, genforbindelse og nanoflares som de vigtigste forklaringer .

De to konkurrerende effekter: Støvmasse vs. støvladning

Den teoretiske konkurrence mellem støvmasse og støvladning handler om hvordan energi, der opnås af et støvkorn, i sidste ende afgives – om den afsættes lokalt eller transporteres væk, før den dissipreres. Dette er et plausibelt støv-plasma-koncept, der er i overensstemmelse med, hvordan ladede nanopartikler opfører sig i stjernemiljøer .

1. Kornets masse og inerti – lokal energifrigivelse

Større, tungere støvkorn er sværere at kontrollere med elektromagnetiske kræfter. Et massivt korn, der er svagt koblet til magnetfelter, følger en mere ballistisk bane. Når et sådant korn kolliderer, fragmenterer eller ødelægges, afsættes dets kinetiske energi lokalt som varme, ionisering eller excitation i det omgivende materiale. Dette fremmer lokaliseret opvarmning i nærheden af, hvor kornet oprindeligt fik sin energi.

2. Kornets ladning og ladning-til-masse-forhold – energitransport

Meget små korn – nanopartikler – kan have et højt ladning-til-masse-forhold, hvilket gør deres bevægelse mere påvirket af elektromagnetiske kræfter . Ladede nanopartikler i nærstjernemiljøer kan fanges eller styres af stjernens magnetfelter, hvilket forlænger deres opholdstid . I så fald kan energien forbundet med kornet transporteres langs magnetiske strukturer, før den frigives, i stedet for at blive frigivet umiddelbart på det sted, hvor kornet først fik energi. Dette fremmer ikke-lokal energideponering.

Kernespørgsmålet er: Dominerer kornets inerti, hvilket fører til lokal friktions- eller kollisionsopvarmning, eller dominerer den elektromagnetiske kobling, så energi kan transporteres langs magnetfeltlinjer? Resultatet afhænger af kornstørrelse, overfladeladning, lokale plasmaforhold og magnetfeltstyrke.

Et vigtigt forbehold

Denne konkurrence mellem masse og ladning er et plausibelt koncept inden for støvplasmafysik og er i overensstemmelse med idéen om, at ladede nanopartikler kan påvirkes betydeligt af stjerners magnetfelter . Men det er ikke en standard del af den etablerede koronaopvarmningsdebat. De medfølgende kilder fortsætter med at forklare hovedmekanismerne med bølgedissipation, turbulens, magnetisk genforbindelse, mikroflares og nanoflares . Støv kan spille en støttende eller lokaliseret rolle, men det nuværende bevis understøtter ikke konkurrencen mellem støvkorns masse og ladning som den primære forklaring på koronaens milliongradertemperatur.

Koronaopvarmningsproblemet er stadig uløst, og det er sandsynligt, at flere mekanismer virker sammen. Som en oversigtsartikel bemærker: 'Der er formentlig ikke en enkelt fysik, der én gang for alle vil løse koronaopvarmningsproblemet' .