Solflammor är våldsamma explosioner mot solen som slungar ut laddade partiklar med hög energi, ibland mot jorden, där de stör kommunikationen och äventyrar satelliter och astronauter.

Men som forskare upptäckte 1996, flammor kan också skapa seismisk aktivitet – solbävningar – som släpper ut impulsiva akustiska vågor som tränger djupt in i solens inre.

Även om förhållandet mellan solflammor och solbävningar fortfarande är ett mysterium, nya rön tyder på att dessa "akustiska transienter" – och ytvågorna de genererar – kan berätta mycket om blossar och en dag kan hjälpa oss att förutse deras storlek och svårighetsgrad.

Ett team av fysiker från USA, Colombia och Australien har funnit att en del av den akustiska energin som frigjordes från en flamma 2011 härrörde från cirka 1, 000 kilometer under solytan – fotosfären – och, Således, långt under solskenet som utlöste skalvet.

Resultaten, publicerad 21 september i The Astrofysiska tidskriftsbrev , kommer från en diagnostisk teknik som kallas helioseismisk holografi, introducerades i slutet av 1900-talet av den franska vetenskapsmannen Françoise Roddier och omfattande utvecklad av de amerikanska vetenskapsmännen Charles Lindsey och Douglas Braun, nu på NorthWest Research Associates i Boulder, Colorado, och medförfattare till tidningen.

Helioseismisk holografi tillåter forskare att analysera akustiska vågor som utlöses av flammor för att undersöka deras källor, ungefär som seismiska vågor från megabävningar på jorden tillåter seismologer att lokalisera sina epicentra. Tekniken tillämpades först på akustiska transienter som släpptes från flammor av en doktorand i Rumänien, Alina-Catalina Donea, under överinseende av Lindsey och Braun. Donea är nu vid Monash University i Melbourne, Australien.

"Det är den första helioseismiska diagnostiken speciellt utformad för att direkt urskilja djupet av källorna den rekonstruerar, såväl som deras horisontella placeringar, sa Braun.

"Vi kan inte se solens insida direkt. Den är ogenomskinlig för fotoner som visar oss solens yttre atmosfär, varifrån de kan fly för att nå våra teleskop, " sa medförfattaren Juan Camilo Buitrago-Casas, ett University of California, Berkeley, doktorand i fysik från Colombia. "Sättet vi kan veta vad som händer inuti solen är via seismiska vågor som skapar krusningar på solytan som liknar dem som orsakas av jordbävningar på vår planet. En stor explosion, som en bloss, kan injicera en kraftfull akustisk puls i solen, vars efterföljande signatur vi kan använda för att kartlägga dess källa i detalj. Det stora budskapet i denna tidning är att källan till åtminstone en del av detta brus är djupt nedsänkt. Vi rapporterar den djupaste källan till akustiska vågor hittills känt i solen."

Hur solbävningar producerar krusningar på solens yta

De akustiska explosioner som orsakar solbävningar i vissa bloss utstrålar akustiska vågor i alla riktningar, främst nedåt. När de nedåtgående vågorna rör sig genom områden med ständigt ökande temperatur, deras vägar böjs av brytning, till slut på väg upp till ytan igen, där de skapar ringar som de man ser efter att ha kastat en sten i en damm. Tiden mellan explosionen och krusningarnas ankomst är cirka 20 minuter.

"Rusningarna, sedan, är inte bara ett ytfenomen, men ytsignaturen för vågor som har gått djupt under det aktiva området och sedan tillbaka upp till den yttre ytan under den efterföljande timmen, " sa Lindsey. Att analysera ytans krusningar kan lokalisera källan till explosionen.

"Det har antagits allmänt att vågorna som släpps ut av akustiskt aktiva flammor injiceras in i solens inre från ovan. Det vi hittar är den starka indikationen på att en del av källan är långt under fotosfären, sa Juan Carlos Martínez Oliveros, en solfysikforskare vid UC Berkeleys Space Sciences Laboratory och född i Colombia. "Det verkar som att blossarna är föregångaren, eller trigger, av den frigjorda akustiska transienten. Det är något annat som händer inuti solen som genererar åtminstone en del av de seismiska vågorna."

"Med en analogi från medicinen, vad vi (solfysiker) gjorde tidigare är som att använda röntgenstrålar för att titta på en ögonblicksbild av solens inre. Nu, vi försöker göra en CAT-skanning, att se solens inre i tre dimensioner, " tillade Martínez Oliveros.

Colombianerna, inklusive studenterna Ángel Martínez och Valeria Quintero Ortega vid Universidad Nacional de Colombia, i Bogotá, är medförfattare till ApJ Letters uppsats tillsammans med sin handledare, Benjamín Calvo-Mozo, docent i astronomi.

"Vi har känt till akustiska vågor från flammor i lite över 20 år nu, och vi har avbildat deras källor horisontellt sedan den tiden. Men vi har bara nyligen upptäckt att några av dessa källor är nedsänkta under solytan, ", sa Lindsey. "Detta kan hjälpa till att förklara ett stort mysterium:Vissa av dessa akustiska vågor har emanerat från platser som saknar lokala ytstörningar som vi direkt kan se i elektromagnetisk strålning. Vi har länge undrat hur detta kan hända."

En seismiskt aktiv sol

I mer än 50 år har astronomer har känt till att solen ekar med seismiska vågor, ungefär som jorden och dess stadiga brummande av seismisk aktivitet. Denna aktivitet, som kan detekteras av dopplerskiftningen av ljus som kommer från ytan, anses drivas av konvektiva stormar som bildar ett lapptäcke av granulat ungefär lika stort som Texas, täcker solens yta och mullrar hela tiden.

Mitt i detta bakgrundsljud, magnetiska områden kan utlösa våldsamma explosioner som släpper ut vågor som gör de spektakulära krusningar som sedan dyker upp på solens yta under den efterföljande timmen, som upptäcktes för 24 år sedan av astronomerna Valentina Zharkova och Alexander Kosovichev.

När fler solbävningar har upptäckts, flare seismologi har blommat ut, liksom teknikerna för att utforska deras mekanik och deras möjliga relation till arkitekturen hos magnetiskt flöde som ligger bakom aktiva regioner.

Bland de öppna frågorna:Vilka bloss ger och producerar inte solbävningar? Kan solbävningar uppstå utan flamma? Varför kommer solbävningar främst från kanterna på solfläckar, eller penumbrae? Producerar de svagaste blossarna skalv? Vad är den nedre gränsen?

Tills nu, de flesta solflammor har studerats som engångsföreteelser, eftersom starka bloss, även under tider med maximal solaktivitet, kan inträffa endast ett fåtal gånger per år. Inledningsvis låg fokus på den största, eller X-klass, bloss, klassificeras efter intensiteten av de mjuka röntgenstrålar de avger. Buitrago-Casas, som tog sina kandidat- och magisterexamen från Universidad Nacional de Colombia, gick ihop med Lindsey och Martínez Oliveros för att genomföra en systematisk undersökning av relativt svaga solflammor för att utöka deras databas, för en bättre förståelse av solbävningarnas mekanik.

Av de 75 flare som fångades mellan 2010 och 2015 av RHESSI-satelliten – en NASA röntgensatellit designad, byggdes och drivs av Space Sciences Laboratory och gick i pension 2018—18 producerade solbävningar. En av Buitrago-Casas akustiska transienter, den som släpptes av blossen den 30 juli, 2011, fångade ögonen på studenterna Martínez, nu doktorand, och Quintero Ortega.

"Vi gav våra studentmedarbetare vid National University listan över bloss från vår undersökning. De var de första som sa:'Kolla på den här. Det är annorlunda! Vad hände här?'" sa Buitrago-Casas. "Och så, vi kom på. Det var superspännande!"

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 Astrofysiska tidskriftsbrev . 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, alls.

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