Kan krusninger på solen hjælpe med at forudsige soludbrud?

Soludbrud er voldsomme eksplosioner på solen, der kaster højenergiladede partikler ud, nogle gange mod Jorden, hvor de forstyrrer kommunikationen og bringer satellitter og astronauter i fare.

Men som videnskabsmænd opdagede i 1996, udbrud kan også skabe seismisk aktivitet – solskælv – der frigiver impulsive akustiske bølger, der trænger dybt ind i solens indre.

Mens forholdet mellem soludbrud og solskælv stadig er et mysterium, nye resultater tyder på, at disse "akustiske transienter" - og de overfladebølger, de genererer - kan fortælle os meget om flares og en dag kan hjælpe os med at forudsige deres størrelse og sværhedsgrad.

Et hold fysikere fra USA, Colombia og Australien har fundet ud af, at en del af den akustiske energi, der blev frigivet fra en flare i 2011, stammede fra ca. 000 kilometer under soloverfladen – fotosfæren – og, dermed, langt under det soludbrud, der udløste jordskælvet.

Resultaterne, offentliggjort 21. september i The Astrofysiske tidsskriftsbreve , kommer fra en diagnostisk teknik kaldet helioseismisk holografi, introduceret i slutningen af ​​1900-tallet af den franske videnskabsmand Françoise Roddier og omfattende udviklet af de amerikanske videnskabsmænd Charles Lindsey og Douglas Braun, nu hos NorthWest Research Associates i Boulder, Colorado, og medforfattere til papiret.

Helioseismisk holografi giver forskere mulighed for at analysere akustiske bølger udløst af flares for at undersøge deres kilder, ligesom seismiske bølger fra megaskælv på Jorden gør det muligt for seismologer at lokalisere deres epicentre. Teknikken blev først anvendt på akustiske transienter frigivet fra flares af en kandidatstuderende i Rumænien, Alina-Catalina Donea, under opsyn af Lindsey og Braun. Donea er nu på Monash University i Melbourne, Australien.

"Det er den første helioseismiske diagnostik, der er specielt designet til direkte at skelne dybden af ​​de kilder, den rekonstruerer, såvel som deres vandrette placeringer, " sagde Braun.

"Vi kan ikke se solens indre direkte. Den er uigennemsigtig for de fotoner, der viser os solens ydre atmosfære, hvorfra de kan flygte for at nå vores teleskoper, " sagde medforfatter Juan Camilo Buitrago-Casas, et University of California, Berkeley, doktorand i fysik fra Colombia. "Måden vi kan vide, hvad der sker inde i solen, er via seismiske bølger, der laver krusninger på soloverfladen, der ligner dem, der er forårsaget af jordskælv på vores planet. En stor eksplosion, såsom et blus, kan injicere en kraftig akustisk puls i solen, hvis efterfølgende signatur vi kan bruge til at kortlægge dens kilde i nogle detaljer. Det store budskab i dette papir er, at kilden til i det mindste noget af denne støj er dybt nedsænket. Vi rapporterer den dybeste kilde til akustiske bølger hidtil kendt i solen."

Hvordan solskælv producerer krusninger på solens overflade

De akustiske eksplosioner, der forårsager solskælv i nogle udbrud, udstråler akustiske bølger i alle retninger, primært nedadgående. Når de nedadgående bølger bevæger sig gennem områder med stadigt stigende temperatur, deres veje bøjes af brydning, til sidst på vej tilbage til overfladen, hvor de skaber krusninger som dem man ser efter at have kastet en sten i en dam. Tiden mellem eksplosionen og krusningens ankomst er omkring 20 minutter.

"Rusningerne, derefter, er ikke kun et overfladefænomen, men overfladesignaturen af ​​bølger, der er gået dybt under det aktive område og derefter tilbage op til den yderliggende overflade i den efterfølgende time, " sagde Lindsey. At analysere overfladebølgerne kan lokalisere kilden til eksplosionen.

"Det har været en udbredt antagelse, at de bølger, der frigives af akustisk aktive flare, sprøjtes ind i solens indre fra oven. Det, vi finder, er den stærke indikation af, at noget af kilden er langt under fotosfæren, sagde Juan Carlos Martínez Oliveros, en solfysikforsker ved UC Berkeleys Space Sciences Laboratory og indfødt i Colombia. "Det ser ud til, at blusset er forløberen, eller trigger, af den frigivne akustiske transient. Der sker noget andet inde i solen, som genererer i det mindste en del af de seismiske bølger."

"Ved at bruge en analogi fra medicin, hvad vi (solfysikere) lavede før, er som at bruge røntgenstråler til at se på et øjebliksbillede af solens indre. Nu, vi forsøger at lave en CAT-scanning, at se solens indre i tre dimensioner, " tilføjede Martínez Oliveros.

colombianerne, herunder studerende Ángel Martínez og Valeria Quintero Ortega ved Universidad Nacional de Colombia, i Bogotá, er medforfattere af ApJ Letters papiret sammen med deres vejleder, Benjamín Calvo-Mozo, lektor i astronomi.

"Vi har kendt til akustiske bølger fra flare i lidt over 20 år nu, og vi har afbildet deres kilder horisontalt siden dengang. Men vi har først for nylig opdaget, at nogle af disse kilder er nedsænket under soloverfladen, " sagde Lindsey. "Dette kan hjælpe med at forklare et stort mysterium:Nogle af disse akustiske bølger er udgået fra steder, der er blottet for lokale overfladeforstyrrelser, som vi direkte kan se i elektromagnetisk stråling. Vi har længe undret os over, hvordan det kan ske«.

En seismisk aktiv sol

I mere end 50 år, astronomer har vidst, at solen giver genlyd med seismiske bølger, meget som Jorden og dens konstante brummen af ​​seismisk aktivitet. Denne aktivitet, som kan detekteres ved Doppler-forskydningen af ​​lys, der kommer fra overfladen, forstås at være drevet af konvektive storme, der danner et kludetæppe af granulat på størrelse med Texas, dækker solens overflade og rumler konstant.

Midt i denne baggrundsstøj, magnetiske områder kan udløse voldsomme eksplosioner, der udløser bølger, der laver de spektakulære krusninger, der så dukker op på solens overflade i den efterfølgende time, som opdaget for 24 år siden af ​​astronomerne Valentina Zharkova og Alexander Kosovichev.

Efterhånden som flere solskælv er blevet opdaget, flare seismologi er blomstret op, det samme har teknikkerne til at udforske deres mekanik og deres mulige forhold til arkitekturen af ​​magnetisk flux underliggende aktive regioner.

Blandt de åbne spørgsmål:Hvilke flares producerer og producerer ikke solskælv? Kan solskælv opstå uden udbrud? Hvorfor udgår solskælv primært fra kanterne af solpletter, eller penumbrae? Frembringer de svageste udbrændinger jordskælv? Hvad er den nedre grænse?

Indtil nu, de fleste soludbrud er blevet undersøgt som enkeltstående, siden stærke udbrud, selv i tider med maksimal solaktivitet, kan kun forekomme få gange om året. Det første fokus var på det største, eller X-klasse, blusser, klassificeret efter intensiteten af ​​de bløde røntgenstråler, de udsender. Buitrago-Casas, som har opnået sine bachelor- og kandidatgrader fra Universidad Nacional de Colombia, gik sammen med Lindsey og Martínez Oliveros for at udføre en systematisk undersøgelse af relativt svage soludbrud for at øge deres database, for en bedre forståelse af solskælvs mekanik.

Af de 75 flares fanget mellem 2010 og 2015 af RHESSI-satellitten - en NASA røntgensatellit designet, bygget og drevet af Space Sciences Laboratory og gik på pension i 2018—18 producerede solskælv. En af Buitrago-Casas's akustiske transienter, den, der blev udgivet af blusset den 30. juli, 2011, fik øjnene op for bachelorstuderende Martínez, nu en kandidatstuderende, og Quintero Ortega.

"Vi gav vores studerende samarbejdspartnere på National University listen over flares fra vores undersøgelse. De var de første, der sagde, 'Se på den her. Det er anderledes! Hvad skete der her?'" sagde Buitrago-Casas. "Og så, vi fandt ud af. Det var super spændende!"

Martínez and Quintero Ortega are the first authors on a paper describing the extreme impulsivity of the waves released by that flare of July 30, 2011, that appeared in the May 20, 2020, issue of The Astrofysiske tidsskriftsbreve . These waves had spectral components that gave the researchers unprecedented spatial resolution of their source distributions.

Thanks to superb data from NASA's Solar Dynamics Observatory satellite, the team was able to pinpoint the source of the explosion that generated the seismic waves 1, 000 kilometers below the photosphere. This is shallow, relative to the sun's radius of nearly 700, 000 kilometers, but deeper than any previously known acoustic source in the sun.

A source submerged below the sun's photosphere with its own morphology and no conspicuous directly overlying disturbance in the outer atmosphere suggests that the mechanism that drives the acoustic transient is itself submerged.

"It may work by triggering a compact explosion with its own energy source, like a remotely triggered earthquake, " Lindsey said. "The flare above shakes something beneath the surface, and then a very compact unit of submerged energy gets released as acoustic sound, " he said. "There is no doubt that the flare is involved, it's just that the existence of this deep compact source suggests the possibility of a separate, distinctive, compact, submerged energy source driving the emission."

About half of the medium-sized solar flares that Buitrago-Casas and Martínez Oliveros have catalogued have been associated with sunquakes, showing that they commonly occur together. The team has since found other submerged sources associated with even weaker flares.

The discovery of submerged acoustic sources opens the question of whether there are instances of acoustic transients being released spontaneously, with no surface disturbance, or no flare, overhovedet.

"If sunquakes can be generated spontaneously in the sun, this might lead us to a forecasting tool, if the transient can come from magnetic flux that has yet to break the sun's surface, " Martínez Oliveros said. "We could then anticipate the inevitable subsequent emergence of that magnetic flux. We may even forecast some details about how large an active region is about to appear and what type—even, eventuelt, what kinds of flares—it might produce. This is a long shot, but well worth looking into."