科学家分析太阳地震:太阳上的涟漪能帮助预测太阳耀斑吗?

x级太阳耀斑

2017年9月6日发射的x级太阳耀斑(X9.3),被美国宇航局的太阳动力学观测站在极紫外光下捕捉到。来源:美国国家航空航天局/戈达德宇航中心/ SDO

科学家通过分析太阳地震来确定耀斑的能量来源,或许可以预测耀斑的严重程度。

太阳耀斑是太阳上的剧烈爆炸,将高能带电粒子抛向地球,有时会破坏通信,危及卫星和宇航员。

但是,正如科学家在1996年发现的那样,耀斑也可以产生地震活动——太阳地震——释放脉冲声波,穿透太阳内部深处。

虽然太阳耀斑和太阳地震之间的关系仍然是一个谜,但新的发现表明,这些“声波瞬变”——以及它们产生的表面波纹——可以告诉我们很多关于耀斑的信息,也许有一天可以帮助我们预测它们的大小和严重性。

来自美国、哥伦比亚和澳大利亚的一个物理学家团队发现,2011年耀斑释放的部分声能来自太阳表面(光球层)下方约1000公里处,因此,远低于触发地震的太阳耀斑。

研究结果发表在天文物理期刊通讯2020年9月21日,来自一种被称为太阳地震全息术的诊断技术,该技术于20世纪末由法国科学家弗朗索瓦·罗迪埃引入,并由美国科学家查尔斯·林赛(Charles Lindsey)和道格拉斯·布劳恩(Douglas Braun)广泛开发,现在位于科罗拉多州博尔德的西北研究协会(NorthWest Research Associates)和该论文的合著者。

太阳地震全息术使科学家能够分析由耀斑引发的声波来探测它们的来源,就像地球上大地震产生的地震波可以让地震学家定位震中一样。在Lindsey和Braun的指导下,罗马尼亚研究生Alina-Catalina Donea首次将该技术应用于火焰释放的声瞬变。Donea现在在澳大利亚墨尔本的莫纳什大学。

NASA SDO M8.1太阳耀斑

美国宇航局太阳动力学观测站于2017年9月8日拍摄了这张中等级别(M8.1)太阳耀斑(右侧明亮区域)的图像。这幅图像融合了两种不同波长的极紫外光。信贷:NASA/GSFC/SDO

Braun说:“这是第一个专门设计的日震诊断,可以直接识别重建震源的深度和水平位置。”

“我们不能直接看到太阳的内部。它对向我们展示太阳外层大气的光子是不透明的,它们可以从那里逃逸到我们的望远镜,”合著者胡安·卡米洛·别特拉戈·卡萨斯(Juan Camilo Buitraco Casas)说,他是一位科学家加州大学伯克利分校,哥伦比亚物理学博士生。“我们知道太阳内部发生了什么的方法是通过地震波在太阳表面产生类似于我们星球上地震引起的涟漪。一次大爆炸,如耀斑,可以向太阳注入强大的声脉冲,我们可以利用它随后的信号来绘制其来源的细节。这一重大信息论文指出,至少部分噪声源被深深地淹没了。我们报道了迄今为止已知的太阳中最深的声波源。”

太阳地震是如何在太阳表面产生涟漪的

在一些耀斑中引起太阳地震的声波爆炸向各个方向辐射声波,主要是向下。当向下传播的波穿过温度不断升高的区域时,它们的路径会因折射而弯曲,最终回到水面,在那里它们会产生涟漪,就像在池塘里扔一颗鹅卵石后看到的那样。从爆炸到涟漪产生的时间大约是20分钟。

太阳地震的水下震源

太阳耀斑引发声波(太阳地震),声波向下传播,但由于温度升高,被弯曲或折射回表面,在那里它们产生涟漪,可以被地球轨道上的天文台看到。太阳物理学家在耀斑下方1000公里处发现了一次由脉冲爆炸引起的太阳地震(上图),这表明太阳地震和耀斑之间的联系并不简单。图片来源:加州大学伯克利分校Juan Camilo Buitrago-Casas

林赛说:“因此,涟漪不仅仅是一种表面现象,而是波的表面特征,这些波深入到活动区域下方,然后在接下来的一小时内回到外围表面。”。分析表面波纹可以确定爆炸源。

“人们普遍认为,声音活跃的耀斑释放的波是从上方注入到太阳内部的。加州大学伯克利分校空间科学实验室的太阳物理学研究员、哥伦比亚人Juan Carlos Martínez Oliveros说。“似乎耀斑是声波瞬态释放的前兆或触发器。太阳内部还发生了其他一些事情,至少产生了部分地震波。”

Martínez Oliveros补充道:“利用医学上的类比,我们(太阳物理学家)以前所做的就像是用X射线来观察太阳内部的一张快照。现在,我们正在尝试进行CAT扫描,以三维方式观察太阳内部。”。

哥伦比亚大学的学生Ángel Martínez和Valeria Quintero Ortega (Bogotá)是该报告的合著者与他们的导师,天文学副教授Benjamín Calvo Mozo的论文。

林赛说:“我们知道耀斑产生的声波已经有20多年了,从那时起,我们一直在水平成像耀斑的声源。但直到最近,我们才发现其中一些声源淹没在太阳表面以下。”。“这可能有助于解释一个巨大的谜团:其中一些声波是从没有我们可以直接在电磁辐射中看到的局部表面扰动的地方发出的。我们很长时间以来一直在想这是怎么发生的。”

地震活跃的太阳

50多年来,天文学家已经知道太阳会反射地震波,就像地球和它稳定的地震活动一样。这种活动可以通过从太阳表面发出的光的多普勒频移探测到,它被认为是由对流风暴驱动的,这些风暴形成了一个大约德克萨斯州大小的颗粒,覆盖了太阳表面,并不断地隆隆作响。


2011年7月30日太阳耀斑的时间推移序列美国国家航空航天局SolarDynamics天文台。左边的框架显示的是琥珀色的可见光发射和红色的极端紫外线发射。右图显示了太阳表面辐射的视线多普勒速度。20至40分钟后爆发的冲动阶段时间表(IP),强大的声波扰动向下释放到底层太阳能室内表面折射回边远,数万公里的耀斑,引起表面上传播表面波纹(右帧)。电影比真实时间快200倍;与左侧相比,右侧画面中的波纹被放大了三倍。信贷:查尔斯·林赛

在这种背景噪音中,磁场区域可以引发剧烈爆炸,释放出波浪,在随后的一小时内在太阳表面形成壮观的涟漪,天文学家瓦伦蒂娜·扎尔科娃(Valentina Zharkova)和亚历山大·科索维奇夫(Alexander Kosovichev)在24年前发现了这一点。

随着越来越多的日震被发现,耀斑地震学也得到了发展,探索其力学机制及其与活动区下方磁通量结构的可能关系的技术也得到了发展。

在开放的问题中:哪些耀斑会和不会产生太阳地震?太阳地震能在没有耀斑的情况下发生吗?为什么太阳地震主要从太阳黑子或半影的边缘发出?最弱的耀斑会引发地震吗?下限是多少?

到目前为止,大多数太阳耀斑都是一次性研究的,因为即使在太阳活动最活跃的时期,强耀斑也可能一年只发生几次。最初的焦点是最大的或X级的耀斑,根据它们发射的软X射线的强度分类。Buitrago Casas在哥伦比亚国立大学获得学士和硕士学位,他与Lindsey和Martínez Oliveros合作,对相对较弱的太阳耀斑进行了系统调查,以增加他们的数据库,以便更好地了解太阳地震的机制。

在2010年至2015年间由RHESSI卫星捕获的75颗耀斑中,有18颗产生了太阳地震。RHESSI卫星是由美国宇航局空间科学实验室设计、建造和运营的X射线卫星,于2018年退役。Buitrago Casas的一个声学瞬变,2011年7月30日的耀斑释放的瞬变,引起了本科生Martínez(现在是研究生)和Quintero Ortega的注意。

Buitrago Casas说:“我们向国立大学的学生合作者提供了我们调查中的耀斑清单。他们是第一个说‘看这一个。它不同了!这里发生了什么?’”。“所以,我们发现了。这太令人兴奋了!”

Martínez和Quintero Ortega是一篇描述2011年7月30日耀斑释放的波的极端冲动性的论文的第一作者,这篇论文发表在2020年5月20日的《自然》杂志上天文物理期刊通讯. 这些波具有光谱成分,给研究人员提供了前所未有的源分布空间分辨率。

得益于美国国家航空航天局太阳动力学观测卫星提供的大量数据,该团队能够精确定位在光球层下方1000公里处产生地震波的爆炸源。相对于太阳近70万公里的半径来说,这是很浅的,但比太阳中任何已知的声源都要深。

一个淹没在太阳光球层下的声源,其自身的形态和外部大气中没有明显的直接叠加扰动,表明驱动声瞬变的机制本身就是淹没的。

Lindsey说:“它可以通过自身的能源触发紧凑型爆炸,比如远程触发地震。”。他说:“上面的耀斑震动了地表下的某些东西,然后一个非常紧凑的水下能量单位以声波的形式释放出来。”。“毫无疑问,这与耀斑有关,只是这种深部致密源的存在表明可能有一种单独的、独特的、紧凑的、淹没在水中的能源驱动排放。”

卡萨斯和奥利弗罗斯所记录的中型太阳耀斑中,约有一半与太阳地震有关,表明它们通常同时发生。该小组后来发现了与较弱的耀斑有关的其他水下震源。

水下声源的发现引出了一个问题:是否存在声瞬变自发释放的实例,没有表面扰动,或根本没有耀斑。

Martínez Oliveros说:“如果太阳地震可以在太阳中自发产生,这可能会引导我们找到一种预测工具,如果瞬时地震可以来自尚未突破太阳表面的磁通量。”“然后,我们就可以预期磁通量不可避免地随后出现。我们甚至可以预测一些细节,比如一个活跃区域将要出现的面积有多大,以及它可能产生什么样的耀斑——甚至可能会产生什么样的耀斑。虽然可能性不大,但很值得研究。”

参考资料:

Charles Lindsey、J.C.Buitraco Casas、Juan Carlos Martínez Oliveros、Douglas Braun、Angel D.Martínez、Valeria Quintero Ortega、Benjamín Calvo Mozo和Alina Catalina Donea的《太阳耀斑瞬态声发射的淹没源》,2020年9月21日,天文物理期刊通讯.
内政部:10.3847/2041-8213/abad2a

天使D.马丁内斯、瓦莱里亚·昆特罗·奥尔特加、J.C.布特拉戈·卡萨斯、胡安·卡洛斯·马丁内斯·奥利弗罗斯、本贾明·卡尔沃·莫佐和查尔斯·林赛的《超脉冲太阳耀斑地震学》,2020年5月22日,天文物理期刊通讯.
内政部:10.3847/2041-8213/ab9173

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