En ny studie, publicerad i The Astrophysical Journal, har producerat en komprimerad 14-årig film av solen som observerats i gammastrålar, ett visualiseringsverktyg som avslöjade att - i motsats till den förväntade enhetliga fördelningen av dessa högenergifotoner - kan solskivan bli ljusare i polarområdena. Denna tendens till att solens sken i gammastrålningen är dominerande på de högsta breddgraderna är uppenbar under solaktivitetens topp, vilket kunde ses i juni 2014.
Studien, ledd av Bruno Arsioli, från Institutet för astrofysik och rymdvetenskap (IA), i Portugal, och den naturvetenskapliga fakulteten vid universitetet i Lissabon, kan bidra till förståelsen av den ännu okända processen som får solen att skina 10 gånger ljusare i gammastrålar än fysiker förväntar sig. Det kan också informera rymdväderprognoser.
Solens gammastrålar produceras i vår stjärnas gloria och i solflammor, men frigörs också från dess yta. "Solen stormas med nästan ljushastighetspartiklar som kommer från andra sidan vår galax i alla riktningar", säger Bruno Arsioli. "Dessa så kallade kosmiska strålarna är elektriskt laddade och avleds av solens magnetfält. De som interagerar med solatmosfären producerar en dusch av gammastrålar."
Forskare trodde att dessa skurar hade lika stora chanser att ses var som helst över solens skiva. Vad detta arbete antyder är att kosmiska strålar kan interagera med solens magnetfält och därmed producera en gammastrålningsfördelning som inte är enhetlig över alla breddgrader av vår stjärna.
"Vi upptäckte också en skillnad i energi mellan polerna," tillägger Bruno Arsioli. "På sydpolen finns ett överskott av utsläpp av högre energi, av fotoner med 20 till 150 GeV, medan de flesta av de mindre energirika fotonerna kommer från nordpolen." Forskare har ännu inte en förklaring till denna asymmetri.
Under solens maximala aktivitetscykel är det uppenbart att gammastrålar utstrålas oftare på högre breddgrader. De var särskilt koncentrerade till solpolerna i juni 2014, efter omkastningen av solens magnetfält. Det är då solens magnetfältsdipol byter ut sina två tecken, ett märkligt fenomen som är känt för att inträffa vid solaktivitetens topp, en gång vart elfte år.
"Vi har hittat resultat som utmanar vår nuvarande förståelse av solen och dess miljö", säger Elena Orlando, University of Trieste, INFN och Stanford University, och medförfattare till denna studie.
"Vi påvisade en stark korrelation mellan asymmetrin i solens gammastrålning i sammanträffande med solmagnetfältsvängningen, som har avslöjat en möjlig koppling mellan solastronomi, partikelfysik och plasmafysik."
Data som användes kom från 14 års observationer med gammastrålningssatelliten Fermi Large Area Telescope (Fermi-LAT), mellan augusti 2008 och januari 2022. Denna period täckte en hel solcykel, från ett minimum till nästa, med toppen i 2014.
En av utmaningarna var att lösa ut solemissioner från de många andra källorna till gammastrålar på bakgrundshimlen, korsade av solens skenbara bana. Bruno Arsioli och hans kollega Elena Orlando producerade ett verktyg för att integrera alla solgammastrålningshändelser inom ett fönster i storleksordningen 400 till 700 dagar, och detta fönster kan glida över 14-årsperioden.
Genom denna visualisering blev ögonblicken av polära överskott tydliga, liksom energidiskrepansen mellan nord och syd.
"Studien av gammastrålning från solen representerar ett nytt fönster för att undersöka och förstå de fysiska processer som sker i atmosfären av vår stjärna", säger Arsioli. "Vilka är processerna som skapar dessa överskott vid polerna? Kanske finns det ytterligare mekanismer som genererar gammastrålar som går utöver samspelet mellan kosmiska strålar och solens yta."
Men om vi håller oss till kosmiska strålar kan de fungera som en sond av den inre solatmosfären. Analysen av dessa Fermi-LAT-observationer motiverar också ett nytt teoretiskt tillvägagångssätt som bör överväga en mer detaljerad beskrivning av solens magnetfält.
Det möjliga sambandet mellan solens produktion av gammastrålar och dess spektakulära perioder med mer frekventa solutbrott och koronala massutkastningar, och mellan dessa och förändringarna i den magnetiska konfigurationen av vår stjärna, kan bidra till att förbättra de fysiska modellerna som förutsäger solaktivitet. Dessa är grunden för rymdväderprognoser, nödvändiga för att skydda instrument på satelliter i rymden och telekommunikation och annan elektronisk infrastruktur på jorden.
"Under 2024 och nästa år kommer vi att uppleva ett nytt solmaximum, och ännu en inversion av solens magnetiska poler har redan börjat. Vi räknar med att i slutet av 2025 omvärdera om inversionen av magnetfälten följs av ett överskott i gammastrålning från polerna", säger Bruno Arsioli.
Elena Orlando tillägger, "Vi har hittat nyckeln för att låsa upp detta mysterium, som föreslår framtida riktningar som bör tas. Det är grundläggande att Fermi-teleskopet kommer att fungera och observera solen under de kommande åren."
Men solgammastrålarna kommer sannolikt att ha mer att avslöja och kräva ytterligare uppmärksamhet. Denna studie kommer att stärka det vetenskapliga argumentet för kontinuerlig övervakning av solen av nästa generations rymdobservatorier för gammastrålar.
"Om det är fastställt att höga energiutsläpp verkligen bär information om solaktiviteten, så borde nästa uppdrag planeras för att tillhandahålla realtidsdata om gammastrålningsutsläpp från solen", säger Arsioli.
Mer information: Yet Another Sunshine Mystery:Unexpected Asymmetry in GeV Emission from the Solar Disk, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad1bd2
Journalinformation: Astrofysisk tidskrift
Tillhandahålls av University of Lissabon
