Солнечная вспышка X-класса (X9.3), испущенная 6 сентября 2017 года и снятая обсерваторией солнечной динамики НАСА в экстремальном ультрафиолетовом свете. Предоставлено: НАСА / GSFC / SDO.
Ученые анализируют солнечные землетрясения, чтобы определить источник энергии вспышки, возможно, предсказать ее силу.
Солнечные вспышки – это сильные взрывы на Солнце, которые выбрасывают заряженные частицы высокой энергии, иногда в сторону Земли, где они нарушают связь и ставят под угрозу спутники и астронавтов.
Но, как обнаружили ученые в 1996 году, вспышки могут также создавать сейсмическую активность – солнечные землетрясения – испускать импульсные акустические волны, которые проникают глубоко внутрь Солнца.
Хотя связь между солнечными вспышками и солнечными землетрясениями все еще остается загадкой, новые результаты показывают, что эти «акустические переходные процессы» – и возникающая ими рябь на поверхности – могут многое рассказать нам о вспышках и могут когда-нибудь помочь нам спрогнозировать их размер и силу.
Группа физиков из США, Колумбии и Австралии обнаружила, что часть акустической энергии, высвободившейся от вспышки в 2011 году, исходила примерно из 1000 километров под поверхностью Солнца – фотосферы – и, таким образом, далеко под солнечной вспышкой, вызвавшей землетрясение.
Результаты, представленные в Письма в астрофизический журнал 21 сентября 2020 года получены с помощью диагностической техники, называемой гелиосейсмической голографией, представленной в конце 1900-х годов французским ученым Франсуазой Роддье и широко разработанной американскими учеными Чарльзом Линдси и Дугласом Брауном, которые сейчас работают в NorthWest Research Associates в Боулдере, штат Колорадо, и др. авторы статьи.
Гелиосейсмическая голография позволяет ученым анализировать акустические волны, вызванные вспышками, для исследования их источников, так же как сейсмические волны от мегатрясений на Земле позволяют сейсмологам определять местонахождение их эпицентров. Впервые этот метод был применен к акустическим переходным процессам, вызванным вспышками, аспирантом из Румынии Алиной-Каталиной Донеа под руководством Линдси и Брауна. Донеа сейчас учится в университете Монаша в Мельбурне, Австралия.
Обсерватория солнечной динамики НАСА сделала это изображение солнечной вспышки среднего класса (M8.1) (яркая область справа) 8 сентября 2017 года. Изображение сочетает две разные длины волн экстремального ультрафиолетового света. Предоставлено: НАСА / GSFC / SDO.
«Это первая гелиосейсмическая диагностика, специально разработанная для прямого определения глубины восстанавливаемых источников, а также их горизонтального положения», – сказал Браун.
«Мы не можем напрямую видеть солнце внутри. Он непрозрачен для фотонов, которые показывают нам внешнюю атмосферу Солнца, откуда они могут убежать, чтобы достичь наших телескопов », – сказал соавтор Хуан Камило Буйтраго-Касас, Калифорнийский университет в Беркли, докторант физики из Колумбии. «Мы можем узнать, что происходит внутри Солнца, с помощью сейсмических волн, которые создают рябь на поверхности Солнца, аналогичную той, которая вызывается землетрясениями на нашей планете. Большой взрыв, такой как вспышка, может вызвать мощный акустический импульс на солнце, последующую сигнатуру которого мы можем использовать для более детального отображения его источника. Основная идея этой статьи заключается в том, что источник хотя бы части этого шума находится глубоко под водой. Мы сообщаем о самом глубоком из известных источников акустических волн на Солнце ».
Как солнечные землетрясения вызывают рябь на поверхности Солнца
Акустические взрывы, вызывающие солнечные землетрясения при некоторых вспышках, излучают акустические волны во всех направлениях, в основном вниз. По мере того как нисходящие волны проходят через регионы с постоянно повышающейся температурой, их пути изгибаются из-за преломления, в конечном итоге возвращаясь к поверхности, где они создают рябь, подобную той, которую можно увидеть после того, как бросили гальку в пруд. Время между взрывом и появлением ряби составляет около 20 минут.
Солнечные вспышки вызывают акустические волны (солнечные землетрясения), которые распространяются вниз, но из-за повышения температуры изгибаются или преломляются обратно к поверхности, где они производят рябь, которую можно увидеть на орбитальных обсерваториях. Солнечные физики обнаружили солнечное землетрясение, вызванное импульсным взрывом на 1000 километров ниже вспышки (вверху), предполагая, что связь между солнечными землетрясениями и вспышками непроста. Предоставлено: Калифорнийский университет в Беркли, художник Хуан Камило Буйтраго-Касас.
«Таким образом, рябь – это не просто явление на поверхности, это след волн, которые ушли глубоко под активную область, а затем вернулись к удаленной поверхности в последующий час», – сказала Линдси. Анализ поверхностной ряби может точно определить источник взрыва.
«Было широко распространено предположение, что волны, испускаемые акустически активными вспышками, вводятся внутрь Солнца сверху. То, что мы находим, является убедительным свидетельством того, что некоторые из источников находятся далеко под фотосферой », – сказал Хуан Карлос Мартинес Оливерос, исследователь физики Солнца из Лаборатории космических наук Калифорнийского университета в Беркли и уроженец Колумбии. «Кажется, что вспышки являются предвестником или спусковым крючком высвободившегося акустического переходного процесса. Внутри Солнца происходит что-то еще, что генерирует, по крайней мере, часть сейсмических волн ».
«Используя аналогию из медицины, то, что мы (солнечные физики) делали раньше, похоже на использование рентгеновских лучей для просмотра одного снимка внутренней части Солнца. Сейчас мы пытаемся сделать компьютерную томографию, чтобы увидеть внутреннюю часть Солнца в трех измерениях », – добавил Мартинес Оливерос.
Колумбийцы, в том числе студенты Анхель Мартинес и Валерия Кинтеро Ортега из Национального университета Колумбии в Боготе, являются соавторами ApJ Письма документ с их научным руководителем, Бенхамином Кальво-Мозо, доцентом астрономии.
«Мы знаем об акустических волнах от вспышек чуть более 20 лет назад, и с тех пор мы отображали их источники по горизонтали. Но мы только недавно обнаружили, что некоторые из этих источников погружены под поверхность Солнца », – сказала Линдси. «Это может помочь объяснить большую загадку: некоторые из этих акустических волн исходят из мест, лишенных локальных поверхностных возмущений, которые мы можем непосредственно видеть в электромагнитном излучении. Мы долго задавались вопросом, как это может случиться ».
Сейсмически активное солнце
Более 50 лет астрономы знали, что Солнце отражается сейсмическими волнами, во многом как Земля и ее устойчивый гул сейсмической активности. Считается, что эта активность, которую можно обнаружить по доплеровскому сдвигу света, исходящего с поверхности, вызвана конвективными штормами, которые образуют лоскутное одеяло из гранул размером с Техас, покрывающих поверхность солнца и постоянно грохочущих.
Покадровая последовательность солнечной вспышки 30 июля 2011 г. НАСАОбсерватория солнечной динамики. Левый кадр показывает излучение видимого света желтым цветом и избыточное излучение крайнего ультрафиолета красным цветом. На правом кадре показана доплеровская скорость излучения солнечной поверхности по прямой видимости. В период между 20 и 40 минутами после импульсной фазы вспышки (IP на временной шкале) сильное акустическое возмущение, выпущенное вниз в нижележащую внутреннюю часть Солнца, преломилось обратно на внешнюю поверхность, в десятках тысяч километров от места вспышки, чтобы вызвать распространяющуюся наружу поверхностную рябь (правая рамка). Фильм в 200 раз быстрее реального времени; рябь в правом кадре усиливается в три раза по сравнению с левым. Предоставлено: Чарльз Линдси.
На фоне этого фонового шума магнитные области могут вызвать сильные взрывы, испускающие волны, которые создают впечатляющую рябь, которая затем появляется на поверхности Солнца в последующий час, как было обнаружено 24 года назад астрономами Валентиной Жарковой и Александром Косовичевым.
По мере того как было обнаружено больше солнечных землетрясений, расцвела сейсмология вспышек, а также появились методы изучения их механики и их возможной связи с архитектурой магнитного потока, лежащего в основе активных областей.
Среди открытых вопросов: какие вспышки вызывают и не вызывают солнечные землетрясения? Могут ли солнечные толчки происходить без вспышки? Почему солнечные землетрясения исходят в основном от краев солнечных пятен или полутени? Вызывают ли самые слабые вспышки землетрясения? Какой нижний предел?
До сих пор большинство солнечных вспышек изучались как единичные, поскольку сильные вспышки, даже во время максимальной солнечной активности, могут происходить только несколько раз в год. Первоначально в центре внимания находились самые крупные вспышки X-класса, классифицируемые по интенсивности излучаемого ими мягкого рентгеновского излучения. Буитраго-Касас, получивший степени бакалавра и магистра в Национальном университете Колумбии, объединился с Линдси и Мартинесом Оливеросом для проведения систематического исследования относительно слабых солнечных вспышек с целью пополнения своей базы данных для лучшего понимания механики землетрясений.
Из 75 вспышек, зафиксированных в период с 2010 по 2015 год спутником RHESSI – рентгеновским спутником НАСА, разработанным, построенным и эксплуатируемым Лабораторией космических наук и выведенным из эксплуатации в 2018 году, – 18 вызвали солнечные землетрясения. Один из акустических переходных процессов Буитраго-Касаса, выпущенный вспышкой 30 июля 2011 года, привлек внимание студентов Мартинеса, ныне аспиранта, и Кинтеро Ортеги.
«Мы передали нашим студентам-сотрудникам из Национального университета список вспышек из нашего исследования. Они были первыми, кто сказал: «Посмотри на это. Это другое! Что здесь произошло? »- сказал Буитраго-Касас. «Итак, мы узнали. Это было супер захватывающе! »
Мартинес и Кинтеро Ортега – первые авторы статьи, описывающей чрезвычайную импульсивность волн, выпущенных этой вспышкой 30 июля 2011 г., которая появилась в выпуске журнала от 20 мая 2020 г. Письма в астрофизический журнал. У этих волн были спектральные компоненты, которые дали исследователям беспрецедентное пространственное разрешение для распределения их источников.
Благодаря превосходным данным со спутника NASA Solar Dynamics Observatory, команда смогла точно определить источник взрыва, который вызвал сейсмические волны на 1000 километров ниже фотосферы. Это неглубоко по сравнению с радиусом Солнца, составляющим почти 700 000 километров, но глубже, чем любой ранее известный акустический источник на Солнце.
Источник, погруженный под фотосферу Солнца с его собственной морфологией и без заметных возмущений во внешней атмосфере, предполагает, что механизм, который управляет акустическим переходным процессом, сам находится под водой.
«Это может сработать, вызвав компактный взрыв с собственным источником энергии, например, дистанционно вызванное землетрясение», – сказала Линдси. «Вспышка наверху сотрясает что-то под поверхностью, а затем очень компактный блок подводной энергии выделяется в виде акустического звука», – сказал он. «Нет сомнений в том, что речь идет о вспышке, просто существование этого глубоко компактного источника предполагает возможность отдельного, отличительного, компактного, подводного источника энергии, вызывающего выбросы».
Около половины солнечных вспышек среднего размера, которые каталогизировали Буйтраго-Касас и Мартинес Оливерос, были связаны с солнечными землетрясениями, что показывает, что они обычно происходят вместе. С тех пор команда обнаружила другие подводные источники, связанные с еще более слабыми вспышками.
Открытие подводных акустических источников поднимает вопрос о том, есть ли случаи, когда акустические переходные процессы высвобождаются спонтанно, без поверхностных возмущений или вообще без вспышек.
«Если солнечные землетрясения могут возникать спонтанно на Солнце, это может привести нас к инструменту прогнозирования, если переходный процесс может происходить из-за магнитного потока, который еще не пробил поверхность Солнца», – сказал Мартинес Оливерос. «Тогда мы могли бы ожидать неизбежного последующего появления этого магнитного потока. Мы можем даже предсказать некоторые подробности о том, насколько большой может появиться активная область и какой тип – даже, возможно, какие виды вспышек – она может вызвать. Это долгий путь, но его стоит изучить ».
Ссылки:
«Подводные источники кратковременной акустической эмиссии от солнечных вспышек» Чарльза Линдси, Дж. К. Буйтраго-Касаса, Хуана Карлоса Мартинеса Оливероса, Дугласа Брауна, Анхеля Д. Мартинеса, Валерии Кинтеро Ортега, Бенджамина Кальво-Мозо и Алины-Каталины Донеа, 21 сентября 2020 г. , Письма в астрофизический журнал.
DOI: 10.3847 / 2041-8213 / abad2a
«Ультраимпульсная сейсмология солнечных вспышек» Анхеля Д. Мартинеса, Валерии Кинтеро Ортега, Х. К. Буйтраго-Касаса, Хуана Карлоса Мартинеса Оливероса, Бенджамина Кальво-Мозо и Чарльза Линдси, 22 мая 2020 г., Письма в астрофизический журнал.
DOI: 10.3847 / 2041-8213 / ab9173
