Zonnevlammen zijn gewelddadige explosies op de zon die hoogenergetische geladen deeltjes uitstoten, soms richting de aarde, waar ze de communicatie verstoren en satellieten en astronauten in gevaar brengen.

Maar zoals wetenschappers in 1996 ontdekten, fakkels kunnen ook seismische activiteit veroorzaken - zonnebevingen - waardoor impulsieve akoestische golven vrijkomen die diep in het binnenste van de zon doordringen.

Hoewel de relatie tussen zonnevlammen en zonnebevingen nog steeds een mysterie is, nieuwe bevindingen suggereren dat deze "akoestische transiënten" - en de oppervlakterimpelingen die ze genereren - ons veel kunnen vertellen over fakkels en ons op een dag kunnen helpen hun grootte en ernst te voorspellen.

Een team van natuurkundigen uit de Verenigde Staten, Colombia en Australië hebben ontdekt dat een deel van de akoestische energie die in 2011 vrijkwam bij een uitbarsting, afkomstig was van ongeveer 1 000 kilometer onder het zonneoppervlak - de fotosfeer - en, dus, ver onder de zonnevlam die de aardbeving veroorzaakte.

De resultaten, gepubliceerd op 21 september in The Astrofysische journaalbrieven , komen van een diagnostische techniek genaamd helioseismische holografie, geïntroduceerd in de late jaren 1900 door de Franse wetenschapper Françoise Roddier en uitgebreid ontwikkeld door de Amerikaanse wetenschappers Charles Lindsey en Douglas Braun, nu bij NorthWest Research Associates in Boulder, Colorado, en co-auteurs van het artikel.

Met helioseismische holografie kunnen wetenschappers akoestische golven analyseren die worden veroorzaakt door fakkels om hun bronnen te onderzoeken, net zoals seismische golven van megabevingen op aarde seismologen in staat stellen hun epicentra te lokaliseren. De techniek werd voor het eerst toegepast op akoestische transiënten die vrijkwamen bij fakkels door een afgestudeerde student in Roemenië, Alina Catalina Donea, onder toezicht van Lindsey en Braun. Donea zit nu aan de Monash University in Melbourne, Australië.

"Het is de eerste helioseismische diagnostiek die specifiek is ontworpen om de diepten van de bronnen die het reconstrueert direct te onderscheiden, evenals hun horizontale ligging, ' zei Braun.

"We kunnen de zon niet direct van binnen zien. Het is ondoorzichtig voor de fotonen die ons de buitenste atmosfeer van de zon laten zien, van waaruit ze kunnen ontsnappen om onze telescopen te bereiken, " zei co-auteur Juan Camilo Buitrago-Casas, een universiteit van Californië, Berkeley, doctoraatsstudent natuurkunde uit Colombia. "De manier waarop we kunnen weten wat er in de zon gebeurt, is via seismische golven die rimpelingen op het zonneoppervlak veroorzaken die vergelijkbaar zijn met die veroorzaakt door aardbevingen op onze planeet. Een grote explosie, zoals een vlam, kan een krachtige akoestische puls in de zon injecteren, waarvan we de daaropvolgende handtekening kunnen gebruiken om de bron in enig detail in kaart te brengen. De grote boodschap van dit artikel is dat de bron van ten minste een deel van dit geluid diep ondergedompeld is. We rapporteren de diepste bron van akoestische golven die tot nu toe bekend is in de zon."

Hoe zonnebevingen rimpelingen op het oppervlak van de zon veroorzaken

De akoestische explosies die bij sommige zonnevlammen zonnebevingen veroorzaken, stralen akoestische golven in alle richtingen uit, voornamelijk naar beneden. Terwijl de neerwaarts bewegende golven door gebieden met steeds hogere temperaturen bewegen, hun paden zijn gebogen door breking, uiteindelijk terug naar de oppervlakte, waar ze rimpelingen creëren zoals die worden gezien nadat ze een kiezelsteen in een vijver hebben gegooid. De tijd tussen de explosie en de aankomst van de rimpelingen is ongeveer 20 minuten.

"De rimpelingen, dan, zijn niet alleen een oppervlakkig fenomeen, maar de oppervlaktesignatuur van golven die diep onder het actieve gebied zijn gegaan en in het volgende uur weer omhoog zijn gegaan naar het buitenoppervlak, "Zei Lindsey. Door de oppervlakterimpelingen te analyseren, kan de bron van de explosie worden vastgesteld.

"Er wordt algemeen aangenomen dat de golven die vrijkomen door akoestisch actieve fakkels van bovenaf in het binnenste van de zon worden geïnjecteerd. Wat we vinden is de sterke aanwijzing dat een deel van de bron zich ver onder de fotosfeer bevindt, " zei Juan Carlos Martínez Oliveros, een onderzoeker op het gebied van zonnefysica aan het UC Berkeley's Space Sciences Laboratory en geboren in Colombia. "Het lijkt alsof de fakkels de voorloper zijn, of trigger, van de vrijgegeven akoestische transiënt. Er gebeurt iets anders in de zon dat op zijn minst een deel van de seismische golven genereert."

"Met behulp van een analogie uit de geneeskunde, wat wij (zonnefysici) eerder deden, is als het gebruik van röntgenstralen om naar één momentopname van het binnenste van de zon te kijken. Nutsvoorzieningen, we proberen een CAT-scan te doen, om het zonne-interieur in drie dimensies te bekijken, ", voegde Martínez Oliveros eraan toe.

De Colombianen, waaronder studenten Ángel Martínez en Valeria Quintero Ortega aan de Universidad Nacional de Colombia, in Bogota, zijn co-auteurs van de ApJ Letters-paper met hun supervisor, Benjamin Calvo-Mozo, universitair hoofddocent sterrenkunde.

"We weten al iets meer dan 20 jaar over akoestische golven van fakkels, en sindsdien hebben we hun bronnen horizontaal in beeld gebracht. Maar we hebben pas onlangs ontdekt dat sommige van die bronnen onder het zonneoppervlak zijn ondergedompeld, " zei Lindsey. "Dit kan een groot mysterie helpen verklaren:sommige van deze akoestische golven zijn afkomstig van locaties die verstoken zijn van lokale oppervlakteverstoringen die we direct kunnen zien in elektromagnetische straling. We hebben ons lang afgevraagd hoe dit kon gebeuren."

Een seismisch actieve zon

Al meer dan 50 jaar, astronomen weten dat de zon weerkaatst met seismische golven, net als de aarde en het gestage gezoem van seismische activiteit. Deze activiteit, die kan worden gedetecteerd door de Doppler-verschuiving van licht afkomstig van het oppervlak, wordt verondersteld te worden veroorzaakt door convectieve stormen die een lappendeken van korrels vormen ter grootte van Texas, het oppervlak van de zon bedekken en voortdurend rommelen.

Te midden van dit achtergrondgeluid, magnetische gebieden kunnen gewelddadige explosies veroorzaken die golven vrijgeven die de spectaculaire rimpelingen veroorzaken die vervolgens in het volgende uur op het oppervlak van de zon verschijnen, zoals 24 jaar geleden ontdekt door astronomen Valentina Zharkova en Alexander Kosovichev.

Naarmate er meer zonnebevingen zijn ontdekt, flare seismologie is tot bloei gekomen, evenals de technieken om hun mechanica en hun mogelijke relatie met de architectuur van magnetische flux die ten grondslag ligt aan actieve gebieden te onderzoeken.

Een van de open vragen:welke fakkels produceren wel en geen zonnebevingen? Kunnen zonnebevingen plaatsvinden zonder een uitbarsting? Waarom komen zonnebevingen voornamelijk uit de randen van zonnevlekken, of halfschaduw? Produceren de zwakste fakkels aardbevingen? Wat is de ondergrens?

Tot nu, de meeste zonnevlammen zijn bestudeerd als eenmalige, sinds sterke fakkels, zelfs in tijden van maximale zonneactiviteit, kan slechts een paar keer per jaar voorkomen. Aanvankelijk lag de focus op de grootste, of X-klasse, fakkels, geclassificeerd door de intensiteit van de zachte röntgenstralen die ze uitzenden. Buitrago-Casas, die zijn bachelor- en masterdiploma behaalde aan de Universidad Nacional de Colombia, werkte samen met Lindsey en Martínez Oliveros om een ​​systematisch onderzoek uit te voeren naar relatief zwakke zonnevlammen om hun database te vergroten, voor een beter begrip van de mechanica van zonnebevingen.

Van de 75 uitbarstingen die tussen 2010 en 2015 zijn vastgelegd door de RHESSI-satelliet - een NASA-röntgensatelliet ontworpen, gebouwd en geëxploiteerd door het Space Sciences Laboratory en met pensioen in 2018-18 geproduceerde zonnebevingen. Een van Buitrago-Casas' akoestische transiënten, degene die vrijkwam door de uitbarsting van 30 juli, 2011, trok de aandacht van niet-gegradueerde studenten Martínez, nu een afgestudeerde student, en Quintero Ortega.

"We hebben onze studentenmedewerkers van de National University de lijst met fakkels uit ons onderzoek gegeven. Zij waren de eersten die zeiden:'Kijk naar deze. Het is anders! Wat is hier gebeurd?'" zei Buitrago-Casas. kwamen we erachter. Het was superspannend!"

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 Astrofysische journaalbrieven . 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, helemaal niet.

"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, mogelijk, what kinds of flares—it might produce. This is a long shot, but well worth looking into."