Výzkumy v ASU AV ČR (202): Balmerovo kontinuum a elektronové svazky ve sluneční minierupci

Erupce na Slunci jsou důsledkem rekonexe magnetického pole, při níž se ze zamotaného a komplikovaného pole s množstvím nahromaděné energie stane pole jednodušší, přičemž se uložená energie uvolní ve formě záření, ohřevu látky a často i výronu hmoty do koróny. Projevy slunečních erupcí lze studovat ve všech oborech elektromagnetického spektra. Teoretické modely již dávno předpokládaly, že by v erupcích mělo docházet ke zvýšení intenzity spektrálních kontinuí, tedy k nárůstu záření v důsledku volně-vázaných přechodů elektronů.

Významným spektrálním kontinuem je tzv. Balmerovo kontinuum vodíku, vznikající při zachytávání volných elektronů na druhou energetickou hladinu vodíku, kdy energetický rozdíl mezi volným a vázaným stavem elektronu je vyzářen ve formě převážně ultrafialového záření. Praktická detekce zvýšení tohoto Balmerova kontinua je dodnes technickým oříškem. Jednak se tato spektrální oblast nachází na hraně atmosférického okna propustnosti, takže je pozemními přístroji pozorovatelná jen obtížně. Pak se v této spektrální oblasti objevují i další příspěvky, z nichž některé bývají spojovány s erupcemi. Například ultrafialové čáry ionizovaného hořčíku mají velmi široká křídla, která se v silných erupcích obracejí do emise a překrývají se s oblastí působnosti Balmerova kontinua. Svoji roli může hrát i příspěvek spojitého záření ze sluneční fotosféry, která leží pod erupční oblastí. Není jednoduché od sebe tyto jednotlivé příspěvky oddělit.  

Samotná detekce zvýšení Balmerova kontinua v erupcích je ale jen jednou částí celého příběhu. Tou druhou je hledání procesu, který je za zvýšení spojitého záření v této oblasti přímo zodpovědný. V literatuře je navrženo mechanismů hned několik. Buď by mohlo jít o nárůst vznikající bombardováním elektrony z erupce přímo v chromosféře, který by se jednoduše překládal přes pozaďové spojité záření fotosféry. Nebo by ke zvýšení záření docházelo až ve fotosféře. Anebo by mohlo jít o převlečenou čarovou emisi v širokých čarách ionizovaného hořčíku nebo jiných kovů při integraci přes určité spektrální okno.
Výzkum spektrálních kontinuí se tradičně odehrává v případech velmi silných erupcí, u nichž se předpokládá, že elektronové svazky budou významným zdrojem energie, a tudíž bude snadnější takové zvýšení detekovat – taková detekce se již dříve podařila. Tým, jehož součástí byl i Petr Heinzel z ASU, šel opačnou cestou a studoval jednu velmi malou, až bezvýznamnou erupci – erupci rentgenové třídy B, tedy takovou, která téměř nevystupuje nad celkové pozaďové záření. Výhodou využití slabší erupce je paradoxně to, že není nutné uvažovat příspěvky emisních čar některých kovů, například železa. Za podmínek slabé erupce zde takové anomálie železných čar vůbec nemohou vznikat.

Autoři si vybrali minierupci, která proběhla 22. března 2019 v aktivní oblasti NOAA 12736, která byla v té době jedinou oblastí na celém slunečním disku. Použili pozorování z přístroje AIA (Atmospheric Imaging Assembly) na družicové observatoři SDO (Solar Dynamics Observatory), která pořizuje snímky hned v deseti spektrálních kanálech současně, umožňujících tak jakousi sondáž atmosféry. Z několika úvah se zdá přirozené, že ke zmíněné erupci došlo poměrně hluboko v atmosféře v oblasti teplotního minima jako důsledek rekonexe ovlivněné malým výtryskem. Další družicí, která se události věnovala, byla družice IRIS (Interface Region Imaging Spectrograph), která poskytuje spektra v ultrafialové oblasti a k tomu i snímky na několika zajímavých ultrafialových vlnových délkách. V poslední řadě pak tým využil i celodisková pozorování rentgenového záření ze sond GOES a z nesluneční družice FERMI.

Již z konstrukce světelných křivek bylo zřejmé, že navýšení záření v oblasti Balmerova kontinua časově velmi dobře odpovídá pozorovanému nárůstu záření v tvrdé rentgenové oblasti. Slibná cesta ale musela být lemována mravenčí prací. V dalším kroku bylo zapotřebí převést IRIS spektra do absolutních radiometrických jednotek a především přesně kvantifikovat nárůst v Balmerově kontinuu. Toho bylo docíleno odečtením celkového záření před erupcí od záření během erupce.

Dalším krokem bylo posouzení, jak významný příspěvek mohou představovat široká křídla hořčíkových čar. Ukázalo se, že tento příspěvek je velmi malý. 82 % detekovaného záření skutečně pochází z Balmerova kontinua vodíku a jen zbývajících 18 % lze připsat zvýšené emisi v hořčíkových čarách. 

Měření rentgenového záření z družice FERMI posloužilo ke konstrukci předpokládaného energetického spektra a k odvození toku netepelných elektronů, které jsou pak zodpovědné za ohřev atmosféry. Tento údaj je důležitým vstupem pro numerický model záření v erupci, který uzavírá výzkumný kruh. Jedním z výsledků numerického modelu je totiž předpovězená intenzita záření Balmerova kontinua, kterou je pak možné porovnat s hodnotou odvozenou z pozorování.

Tentokrát bylo toto pozorování velmi úspěšné. Přesvědčivě se ukazuje, že pouze příspěvek netermálních elektronů je postačující k vysvětlení pozorovaného zvýšení spojitého záření v oblasti kontinua. Výsledky tedy jednoznačně podporují model, při němž vzniká opticky tenké Balmerovo kontinuum v chromosféře při rekombinaci vodíku ionizovaného srážkami s termálními i netermálními elektrony erupčního plazmatu.

REFERENCE

J. Reetika, B. Schmieder, P. Heinzel a kol., Balmer continuum enhancement detected in a mini flare observed with IRIS, Astronomy & Astrophysics v tisku, preprint arXiv:2107.11651

KONTAKT

prof. RNDr. Petr Heinzel, DrSc.
pheinzel@asu.cas.cz
Sluneční oddělení Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Sluneční oddělení ASU AV ČR

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v. v. i.