Magnetiska vågor värmer solkoronan

Naturvetarpristagaren Boris Gudikse
Naturvetarpristagaren Boris Gudikse
12 oktober 2005

Att solytan är varm vet alla. Ungefär 6 000 grader varm. Vad inte så många vet däremot är att i solatmosfärens översta lager, koronan, är temperaturen ungefär en miljon grader. Varför? Tack vare Boris Gudiksen doktorsavhandling är vi nu lite närmare svaret på den frågan. Men så fick han årets Naturvetarpris för den också. Priset tog han emot vid en ceremoni på Nobelmuseum den 12 oktober.

I solens centrum, där kärnreaktionerna driver solens motor, är temperaturen uppskattningsvis 14 miljoner grader. Därifrån transporteras värmen uppåt av elektromagnetisk strålning. Fotoner skickas ut, absorberas och skickas ut igen. Materien i solens inre ligger så tätt packad att resan för dessa fotoner tar tiotusentals år.

Vid ungefär två tredjedelar av avståndet till ytan blir trycket – som med alla normala mått mätt är obeskrivligt högt – för lågt och materien för genomskinlig för att denna typ av energitransport ska vara tillräckligt effektiv.

Resten av vägen mot ytan transporteras energin av gasen själv. Het gas stiger i förhållande till omgivande, mindre varm gas. När en sådan het gascell kommer till ytan svalnar den. Den kallnande gasen måste kontrahera och gascellen blir därför tyngre än omgivande gas, och gascellen sjunker tillbaka. Så upprepas cykeln.

Inget koronium

Den del av solen som vi ser, solytan där gascellerna vänder om, kallas för fotosfären. Den är 6 000 grader varm. Rimligtvis borde sedan temperaturen fortsätta avta när man kommer längre bort från solen energikälla. Det var också vad astronomerna trodde, ända till 1943.

Redan innan dess visste man att ovanför fotosfären fanns först kromosfären och ytterst koronan. Dessa kunde man i princip bara se under solförmörkelser, men de har varit kända länge. Man hade också upptäckt vad man trodde var ett nytt grundämne i solens korona, ett ämne som man kallade koronium. Man hade nämligen hittat spektrallinjer som man aldrig tidigare sett.

Men år 1943 visade den svenske fysikern Edlén att linjerna inte kom från något okänt grundämne, utan från extremt joniserat järn och nickel. Senare har man kunnat konstatera att järn- och nickelatomerna är joniserade mellan nio och tretton gånger – långt bortom vad man kan åstadkomma i jordiska laboratorier.

Redan när Edlén gjorde sin upptäckt förstod man dock att detta berodde på att koronans temperatur måste vara enorm, runt en miljon grader. Hur detta kunde gå till förstod man dock inte riktigt.

Magnetfält

Under det dryga halvsekel som gått sedan Edléns upptäckt så har astronomerna insett att det är magnetfält som ligger bakom koronans höga temperatur, precis som magnetfälten styr och ställer med mycket på och ovanför solens yta. Magnetfälten är förankrade i fotosfären (solytan) och sträcker sina tentakler uppåt. Exakt hur de för över energi till koronan vet astronomerna dock fortfarande inte, men det finns olika teorier. Det är till denna stack som Boris Gudiksen dragit sitt strå, med den första simulering som kan reproducera uppvärmningen av koronan, och detta bara med känd fysik.

– Det kanske kan tyckas trivialt, men detta är ett problem som ingen hittat en lösning på under trekvarts sekel. Så en viss betydelse har det allt, säger han och ler.

Snabb eller långsam

Det finns två teorier som kan förklara denna uppvärmning. Astronomerna vet att solens yta kan flytta runt magnetfälten, som i solfläckar. Skillnaden på de två teorierna är hur snabbt ytan stör magnetfälten.

Gasen i solen är inte vanlig, neutral gas, utan elektriskt laddad plasma. Plasman kan bara flytta sig längs de magnetiska fältlinjerna. Fältlinjerna i sin tur uppför sig som gummiband. Man kan sträcka på dem men inte bryta dem, så om fältlinjerna går genom fotosfären så kan den flytta runt på fältlinjerna.

– Om detta går snabbt så produceras det vågor i magnetfältet, säger Boris Gudiksen.

Dessa vågor skulle kunna vara det som transporterar energi till koronan.

– Men det visar sig att det är ganska svårt att konvertera den här energin till att värma koronan med.

Så om koronan värms på detta sätt så pågå det någonting som forskarna inte förstår.

– Går det långsamt så produceras det inga vågor, men magnetfältet hinner då uppnå en jämvikt innan nästa störning från solytan. Så småningom blir magnetfältet så komplicerat att det måste släppa ifrån sig en del av sin energi. När detta händer så kan ganska stora energimängder frigöras.

Det är dessa långsamma vågor som Boris modell bygger på.

Vid större dylika händelser uppstår så kallade flares, utbrott på solytan, som exempelvis kan störa satelliter. Men små flares är mycket vanligare än stora flares, och tanken är att de små är tillräckligt många och energirika för att värma upp koronan.

Efter att ha fått sin doktorshatt så fortsätter Boris försöka förbättra sina solmodeller, nu i Oslo.

– Ja, he he, de kan ju alltid bli bättre. Så nu jobbar jag med en simulering som kan svara på fler frågor. Till exempel vad som händer i det gränsskikt mellan fotosfären och koronan där temperaturen stiger.

Naturvetarpriset

Naturvetarpriset är ett pris som Naturvetareförbundet varje år delar ut för exceptionella examensarbeten och doktorsavhandlingar inom det naturvetenskapliga området. Ämnena varierar från år till år, och 2005 delades priset ut inom fysikområdet. Prissumman för Boris Gudiksens del är 50 000 kr.

Årets prisceremoni hölls på Nobelmuseum den 12 oktober. Där kommer pristagarna att hålla en kort presentation av sin forskning, och Ulf Danielsson, professor i teoretisk fysik, ska prata på temat astrofysik.

Organisationen som delar ut naturvetarpriset, Naturvetareförbundet, är ett SACO-förbund som organiserar naturvetare av alla slag, från miljövetare till astrofysiker och cytodiagnistiker. Priset instiftades 1997.

Copyright 2000 - 2014 © European Space Agency. All rights reserved.