Wanneer onze zon uitbarst met gigantische explosies - zoals uitbarstingen van straling die zonnevlammen worden genoemd - weten we dat ze de ruimte in het hele zonnestelsel en in de buurt van de aarde kunnen beïnvloeden. Maar het monitoren van hun effecten vereist observatoria op veel plaatsen met veel perspectieven, ongeveer zoals weersensoren over de hele aarde ons kunnen helpen te volgen wat er gebeurt met een aardse storm.

Door meerdere observatoria te gebruiken, twee recente onderzoeken laten zien hoe zonnevlammen pulsen of oscillaties vertonen in de hoeveelheid energie die wordt uitgezonden. Dergelijk onderzoek levert nieuwe inzichten op over de oorsprong van deze enorme zonnevlammen en het ruimteweer dat ze produceren, wat belangrijke informatie is als mensen en robotmissies zich in het zonnestelsel wagen, steeds verder van huis.

De eerste studie ontdekte oscillaties tijdens een uitbarsting - onverwacht - in metingen van de totale output van extreem ultraviolette energie van de zon, een soort licht dat onzichtbaar is voor menselijke ogen. Op 15 februari 2011, de zon zond een X-klasse zonnevlam uit, de meest krachtige vorm van deze intense uitbarstingen van straling. Omdat wetenschappers meerdere instrumenten hadden die de gebeurtenis observeerden, ze waren in staat om oscillaties in de straling van de flare te volgen, gebeurt gelijktijdig in verschillende sets van waarnemingen.

"Elk type oscillatie op de zon kan ons veel vertellen over de omgeving waarin de oscillaties plaatsvinden, of over het fysieke mechanisme dat verantwoordelijk is voor het veroorzaken van veranderingen in emissie, " zei Ryan Milligan, hoofdauteur van deze eerste studie en zonnefysicus bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, en de Universiteit van Glasgow in Schotland. In dit geval, de regelmatige pulsen van extreem ultraviolet licht gaven aan dat verstoringen - vergelijkbaar met aardbevingen - door de chromosfeer kabbelden, de basis van de buitenste atmosfeer van de zon, tijdens de fakkel.

Wat Milligan verbaasde over de trillingen was het feit dat ze voor het eerst werden waargenomen in extreem ultraviolette gegevens van NOAA's GOES - een afkorting voor Geostationary Operation Environmental Satellite, die zich in de ruimte nabij de aarde bevindt. De missie bestudeert de zon vanuit het perspectief van de aarde, het verzamelen van röntgenstraling en extreme ultraviolette stralingsgegevens - de totale hoeveelheid zonne-energie die in de loop van de tijd de atmosfeer van de aarde bereikt.

Dit was geen typische dataset voor Milligan. Hoewel GOES helpt bij het volgen van de effecten van zonne-uitbarstingen in de ruimteomgeving van de aarde - gezamenlijk bekend als ruimteweer - was de satelliet aanvankelijk niet ontworpen om fijne details zoals deze oscillaties te detecteren.

Bij het bestuderen van zonnevlammen, Milligan gebruikt vaker gegevens met een hoge resolutie over een specifiek actief gebied in de atmosfeer van de zon om de fysieke processen die ten grondslag liggen aan fakkels te bestuderen. Dit is vaak nodig om in te zoomen op gebeurtenissen in een bepaald gebied - anders kunnen ze gemakkelijk verloren gaan tegen de achtergrond van de constante van de zon, intense straling.

"Fakkels zelf zijn erg gelokaliseerd, dus voor de oscillaties die boven het achtergrondgeluid van de reguliere emissies van de zon werden gedetecteerd en in de bestralingsgegevens werden weergegeven, was zeer opvallend, ' zei Milligan.

Er zijn eerdere meldingen geweest van oscillaties in GOES-röntgengegevens afkomstig van de bovenste atmosfeer van de zon, de corona genoemd, tijdens zonnevlammen. Wat in dit geval uniek is, is dat de pulsen werden waargenomen in extreem ultraviolette emissie op frequenties die aantonen dat ze lager, in de chromosfeer, geeft meer informatie over hoe de energie van een uitbarsting door de atmosfeer van de zon reist.

Om er zeker van te zijn dat de trillingen echt waren, Milligan en zijn collega's controleerden overeenkomstige gegevens van andere zonwaarnemingsinstrumenten aan boord van NASA's Solar Dynamics Observatory of SDO, kortom:een die ook extreem ultraviolette stralingsgegevens verzamelt en een andere die de corona in verschillende golflengten van licht afbeeldt. Ze vonden exact dezelfde pulsen in die datasets, bevestigend dat ze een fenomeen waren met zijn bron bij de zon. Hun bevindingen zijn samengevat in een paper gepubliceerd in De astrofysische journaalbrieven op 9 oktober 2017.

Deze oscillaties interesseren de wetenschappers omdat ze mogelijk het resultaat zijn van een mechanisme waarmee fakkels energie de ruimte in zenden - een proces dat we nog niet volledig begrijpen. Aanvullend, het feit dat de oscillaties verschenen in datasets die doorgaans worden gebruikt om grotere ruimtepatronen te volgen, suggereert dat ze een rol zouden kunnen spelen bij het aansturen van ruimteweereffecten.

In de tweede studie wetenschappers onderzochten een verband tussen zonnevlammen en activiteit in de atmosfeer van de aarde. Het team ontdekte dat pulsen in de geëlektrificeerde laag van de atmosfeer - de ionosfeer genoemd - röntgentrillingen weerspiegelden tijdens een 24 juli, 2016, C-klasse flare. C-klasse fakkels zijn van gemiddelde tot lage intensiteit, en ongeveer 100 keer zwakker dan X-flares.

Zich uitstrekkend van ongeveer 30 tot 600 mijl boven het aardoppervlak, de ionosfeer is een steeds veranderend gebied van de atmosfeer dat reageert op veranderingen van zowel de aarde beneden als de ruimte erboven. Het zwelt op als reactie op binnenkomende zonnestraling, die atmosferische gassen ioniseert, en ontspant 's nachts als de geladen deeltjes geleidelijk recombineren.

Vooral, het team van wetenschappers - onder leiding van Laura Hayes, een zonnefysicus die haar tijd verdeelt tussen NASA Goddard en Trinity College in Dublin, Ierland, en haar scriptieadviseur Peter Gallagher - bekeek hoe de onderste laag van de ionosfeer, genaamd de D-regio, reageerde op pulsaties in een zonnevlam.

"Dit is het gebied van de ionosfeer dat hoogfrequente communicatie- en navigatiesignalen beïnvloedt, "Zei Hayes. "Signalen reizen door de D-regio, en veranderingen in de elektronendichtheid beïnvloeden of het signaal wordt geabsorbeerd, of gedegradeerd."

De wetenschappers gebruikten gegevens van zeer lage frequentie, of VLF, radiosignalen om de effecten van de flare op de D-regio te onderzoeken. Dit waren standaard communicatiesignalen die vanuit Maine werden uitgezonden en in Ierland werden ontvangen. Hoe dichter de ionosfeer, hoe groter de kans dat deze signalen geladen deeltjes tegenkomen op hun weg van een signaalzender naar zijn ontvanger. Door te controleren hoe de VLF-signalen zich van het ene uiteinde naar het andere verspreiden, wetenschappers kunnen veranderingen in elektronendichtheid in kaart brengen.

Het samenvoegen van de VLF-gegevens en röntgen- en extreem ultraviolette waarnemingen van GOES en SDO, het team ontdekte dat de elektronendichtheid van de D-regio pulseerde samen met röntgenpulsen op de zon. Ze publiceerden hun resultaten in de Tijdschrift voor Geofysisch Onderzoek op 17 oktober 2017.

"Röntgenstralen vallen op de ionosfeer en omdat de hoeveelheid röntgenstraling die binnenkomt verandert, de hoeveelheid ionisatie in de ionosfeer verandert ook, " zei Jack Ierland, een co-auteur van beide studies en Goddard zonnefysicus. "We hebben eerder röntgenoscillaties gezien, maar de oscillerende ionosfeerreactie is in het verleden niet gedetecteerd."

Hayes en haar collega's gebruikten een model om te bepalen hoeveel de elektronendichtheid tijdens de flare veranderde. Als reactie op binnenkomende straling, ze ontdekten dat de dichtheid tijdens de pulsen maar liefst 100 keer toenam in slechts 20 minuten - een opwindende observatie voor de wetenschappers die niet verwachtten dat oscillerende signalen in een fakkel zo'n merkbaar effect zouden hebben in de ionosfeer. Met verdere studie, het team hoopt te begrijpen hoe de ionosfeer reageert op röntgenoscillaties op verschillende tijdschalen, en of andere zonnevlammen deze reactie veroorzaken.

"Dit is een spannend resultaat, waaruit blijkt dat de atmosfeer van de aarde nauwer verbonden is met de variabiliteit van de röntgenstraling van de zon dan eerder werd gedacht, Hayes zei. "Nu zijn we van plan om deze dynamische relatie tussen de zon en de atmosfeer van de aarde verder te onderzoeken."

Beide studies maakten gebruik van het feit dat we in toenemende mate zonneactiviteit en ruimteweer kunnen volgen vanuit een aantal gezichtspunten. Om het ruimteweer te begrijpen dat ons op aarde beïnvloedt, is inzicht nodig in een dynamisch systeem dat zich uitstrekt van de zon helemaal tot aan onze bovenste atmosfeer - een systeem dat alleen kan worden begrepen door gebruik te maken van een breed scala aan missies verspreid over de ruimte.