Konvektiva nedflöden observerade i en solfläckspenumbra

Vad får solfläckarna att lysa?

Observationer med det svenska solteleskopet SST på La Palma har påvisat nedåtgående gasflöden i en solfläcks penumbra. Resultaten publiceras i Science Express. Forskarna bakom studien är: Göran B. Scharmer, Vasco M.J. Henriques, Dan Kiselman, (samtliga från Kungl. Vetenskapsakademiens institut för solfysik och Institutionen för astronomi vid Stockholms universitet), och Jaime de la Cruz Rodríguez (Universitetet i Oslo).

En solfläck ser ut som en "liten" mörk prick på solskivan. I fläcken är magnetfältet mycket starkt. Den centrala och mörkaste delen av solfläcken kallas umbran. Den omges av penumbran som har en trådig struktur, litegrann som en blommas kronblad.

Solfläckar är mörkare än sin omgivning eftersom magnetfältet undertrycker de konvektiva gasrörelserna under ytan som transporterar värmen uppåt genom solen. Men de är inte fullständigt mörka och kalla. Det kan låta märkligt, men ett av många mysterier kring solfläckarna är varför de är så ljusa! Penumbran lyser med ungefär 75% av den omgivande, omagnetiska, solytans styrka.

Vilka fysikaliska processer driver penumbran? Kan det vara konvektion av samma slag som den som äger rum under den "vanliga" solytan? Konvektionen orsakar där ett mönster som kallas granulation med het stigande gas och kall sjunkande gas. Om liknande processer är viktiga för penumbran borde man där se ett systematiskt mönster av uppåt- och nedåt-riktade rörelser i gasen. Men ett sådant mönster har inte observerats — förrän nu.

Nedflödena som identifierats i penumbran är statistiskt associerade med mörkare områden och måste vara konvektiva till sin natur. Slutsatsen är att penumbran drivs och formas av ett konvektivt flöde underifrån. Detta resultat, som stöds av nyligen presenterade teoretiska simuleringar, borde avgöra en långvarig vetenskaplig diskussion.

Samtidigt som det finns upp- och nedflöden i penumbran visar observationerna horisontella flöden riktade ut från solfläckens centrum. Dessa flöden är kraftiga med hastigheter på flera kilometer per sekund. De utgör den välkända Evershed-effekten som upptäcktes redan 1909 av John Evershed vid Kodaikanal-observatoriet i Indien. Med hjälp av de nya observationerna kan alla penumbrans flöden förklaras i termer av konvektion. Därmed är Evershed-effektens mysterium löst.

Att detektera de konvektiva nedflödena var inte enkelt. Följande ingredienser var nödvändiga:

  • Hög spatial upplösning: Uppnåddes med hjälp av SST, den stadiga luften på La Palma, adaptiv optik och bildrestaureringstekniken MOMFBD.

  • Hög spektral upplösning: Spektra av god kvalitet gavs av instrumentet CRISP .

  • Ett sätt att se djupt in i solfläcken: Spektrallinjen från kol med våglängden 5380 ångström bildas i het gas och bär alltså med sig information från solatmosfärens djupaste lager.

  • Ströljuskorrigering: Ströljus från atmosfären och teleskopet suddar till bilden på ett sätt som är svårt att bestämma. Här gjordes en modell av ströljuset genom att jämföra den observerade granulationen med teoretiska modeller. Då kunde man se hur stora ströljusnivåerna var och dra bort dessa från bilderna. Detta var helt nödvändigt för att de sökta nedflödena skulle bli synliga.

  • Hastighetskalibrering: Det är mycket viktigt att med precision kunna översätta observerade våglängder för spektrallinjer till hastigheter relativt till solytan. Även detta gjordes med hjälp av teoretiska granulationsmodeller.

    Multimedia

    Bilderna nedan får återges om källan anges.

    Klicka på de små bilderna för att se större versioner.

    Filmen och några bilder finns i lite högre upplösning här för tryck eller sändning.

    Solfläcken i sitt sammanhang Omgivande granulation Umbran Penumbran Hastighetsfältet i penumbran
    Bilderna visar de huvudsakliga delarna av en solfläck tillsammans med huvudresultatet från detta arbete: en hastighetskarta över penumbran.

    Källa: Kungl. Vetenskapsakademien, G.B. Scharmer, V.M.J. Henriques, D. Kiselman, J. de la Cruz Rodríguez

    Solfläcken och dess omgivningar. Bilden är tagen i violett ljus där den högsta upplösningen kan nås. Bilden har färglagts för att bli vacker. Bildens kant motsvarar 47000 km på solen. Denna bild med en upplösning på 0,1 bågsekunder visar gränsen för vad som är möjligt just nu.

    Källa: Kungl. Vetenskapsakademien, V.M.J. Henriques

    Uppsnabbad film av solfläcken. Tagen i violett ljus och färglagd av estetiska skäl. Hela sekvensen motsvarar 53 minuter i realtid. De rörelser man ser i penumbran är inte de flöden som studerats. Det ser ut som om saker rör sig inåt i penumbran medan mätningar med dopplereffekten visar — och har visat i 100 år — att gasflödena huvudsakligen är utåtriktade. De inåtgående rörelserna är således endast ett mönster som rör sig. (För närvarande via YouTube.)

    Källa: Kungl. Vetenskapsakademien, V.M.J. Henriques

    Bild av solfläcken med jorden inlagd i rätt skala. Solbilden är tagen i violett ljus och färglagd av estetiska skäl.

    Källa: Kungl. Vetenskapsakademien, V.M.J. Henriques, Dan Kiselman, and NASA (Earth image)

    Färgkarta som visar hastigheterna i solfläcken och dess omgivningar så som de mäts med dopplereffekten. Blå färg betyder att gasen rör sig mot oss — det motsvarar i stort sett rörelser uppåt på solytan. Röd färg betyder att gasen rör sig från oss — det motsvarar i stort sett rörelser nedåt på solytan.

    Det nätliknande mönstret runt själva solfläcken är granulation. Bildens kant motsvarar 24000 km on the Sun.

    Källa: Kungl. Vetenskapsakademien, G.B. Scharmer, V.M.J. Henriques, D. Kiselman, J. de la Cruz Rodríguez

    En vanlig bild av solfläcken med hastighetskartan för penumbran pålagd — rödförskjutna och blåförskjutna delar visas växelvis. Blå färg betyder att gasen rör sig mot oss — det motsvarar i stort sett rörelser uppåt på solytan. Röd färg betyder att gasen rör sig från oss — det motsvarar i stort sett rörelser nedåt på solytan.

    De blåa och röda partierna har en asymmetri som orsakas av att solfläcken ses från en liten vinkel. Det utåtriktade flödet i fläcken (Evershed-flödet) syns därför som en rödförskjutning på den sida av solfläcken som är längst från oss och en blåförskjutning på den andra sidan — där detta horisontella flöde börjar riktas mot oss. Att man ändå ser rödförskjutna fläckar på den senare sidan är en illustration till huvudresultatet — här måste det finnas nedflöden.

    Källa: Kungl. Vetenskapsakademien, G.B. Scharmer, V.M.J. Henriques, D. Kiselman, J. de la Cruz Rodríguez

    Svenska 1 m-solteleskopet (SST) på La Palma. Teleskopet är vänt mot den uppgående solen.

    Källa: D. Kiselman

    Time-stamp: <2011-05-31 12:36:04 dan>