Unravelling the Dynamics of the Solar Atmosphere

Solen er vår stjerne og dominerer i solsystemet. Det finnes en lang vitenskapelig tradisjon for å observere og studere solen. Likevel står mange grunnleggende spørsmål ubesvart. For eksempel har vi en mangelfull forståelse av hvorfor koronaen, solens ytre atmosfære, er så varm (millioner av grader) mens soloverflaten er bare noen få tusen grader; eller hvordan koronaen fylles av materie. Dessuten er det uklart hva som driver solvinden, som brer om seg med plasma og magnetiske felt i solsystemet. Det er imidlertid sannsynlig at et tynt lag av atmosfæren skjuler nøkkelen til å kunne besvare disse spørsmålene. Dette atmosfærelaget består av den såkalte kromosfæren og transisjonslaget, og det utgjør grensesjiktet mellom soloverflaten og koronaen. Dette grensesjiktet er bare noen få tusen kilometer tykt og meget dynamisk. Denne dynamiske aktiviteten domineres av solens magnetfelt samt strålingseffekter, og den er svært utfordrende å forstå. Sommeren 2013 sendte NASA opp satelitteleskopet Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS). Teleskopet er utviklet spesielt for å observere dette tynne grensesjiktet i solatmosfæren. Til gjengjeld er det mindre sensitivt for dypere atmosfærelag. Gjennom koordinerte kampanjer med det svenske 1 meter Solar Telescope (SST) på La Palma har vi komplementert IRIS-observasjoner med observasjoner av høy kvalitet fra disse dypere lagene. For å tolke disse komplekse observasjonene har vi benyttet moderne datasimuleringer av solatmosfæren. Denne kombinasjonen av koordinerte observasjoner og numeriske simuleringer lar oss tegne et helhetlig bilde av solens atmosfære. Vi har gjennomført 14 vellykkede koordinerte observasjonskampanjer fra 2016 til 2022. Vi kunne ikke reise til La Palma i 2020 og første halvdelen av 2021 på grunn av Covid-19-pandemien, men vi har samarbeidet tett med astronomen i La Palma for å optimalisere fjernobservasjoner. I juli 2021 kunne vi endelig sende observatører til La Palma. Våre observasjoner i september 2021 ble dessverre påvirket av vulkanutbruddet på La Palma. Sesongen 2022 ble endelig normalt igjen med 3 vellykkede kampanjer. Data utstyr til lagring og beregninger ble installert tidlig i prosjekt perioden og er fullt i bruk til behandling av observasjonene. Begge postdoktorene er nå ferdig med prosjektet, og har gått videre i nye stillinger. Den første stipendiaten hadde disputas i oktober 2021 og har begynt i en postdokter stilling i USA. Den andere stipendiaten skal ha disputas i 2023. Vi publiserte et paper i Science i juni 2017 der vi sammenlignet nye avanserte simuleringer med koordinerte IRIS og SST observasjoner. I desember 2017 var vi de første til å publisere resultater fra CHROMIS, det nye instrumentet på SST, i Astrophysical Journal Letters. I denne studien kombinerte vi CHROMIS observasjoner med IRIS observasjoner og brukte numeriske simuleringer i tolkningen. Den andre postdoktor har publisert et Letter i 2020 som ble valgt som høydepunkt i tidsskriftet Astronomy & Astrophysics. I løpet av sommeren 2020 publiserte vi en artikkel som beskriver offentliggjøring av en database med koordinerte SST- og IRIS-observasjoner. Disse datasettene er åpne for analyse for alle interesserte kolleger.

We find that our work is well received by the scientific community, as we see that our publications receive a relatively high number of citations and by invited and contributed presentations at international conferences. Our considerable effort in using observing time at the Swedish Solar Telescope (SST) and investments in methods and hardware for data processing has resulted in a significant number of unique and outstanding data sets. This has consolidated SST’s excellent reputation as one of the prime solar telescopes in the world and has counted towards continued efforts to expand and develop SST instrumentation. Presently, pioneering new instrumentation is being developed at the SST as preparation for the planned 4-meter European Solar Telescope (EST). The EST is a large international collaboration at the European level and is planned to be the new flagship telescope. The staff that was employed on temporary contracts through the project has moved on to new jobs in academia and the private sector. We see that their participation in the project has a positive impact on their careers.

The solar chromosphere and transition region, a seemingly feeble and insignificantly shallow region sandwiched between the brilliant solar surface and enigmatic corona, may hide the key to understanding what energises the outer solar atmosphere and drives the solar wind. Despite the importance of this interface region, it remains poorly understood due to its bewildering complexity and dynamics. The Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS), NASA's small explorer spacecraft launched in June 2013, is specifically designed to address fundamental questions about the nature of the outer solar atmosphere through high spatial and temporal resolution UV spectroscopy and imaging. We plan to provide key data that are essentially missing in the IRIS' arsenal: high resolution photospheric and chromospheric polarimetry and spectral imaging under and around the IRIS spectrograph slit. These observations will be acquired through coordinated campaigns with the Swedish 1-m Solar Telescope (SST) on La Palma. In addition, we will use large-scale, state of the art, radiative magneto-hydrodynamic simulations of the solar atmosphere in combination with advanced 3D non-LTE radiative transfer codes to interpret the complex observational data. The combination of coordinated IRIS and SST observations and advanced numerical simulations will allow to construct a comprehensive picture of the solar atmosphere.