2017年9月6日发射的x级太阳耀斑(X9.3)，被美国宇航局6037的太阳动力学观测台以极紫外光捕捉到。(图片由NASA/GSFC/SDO提供)
太阳耀斑是太阳上的剧烈爆炸，它会释放出高能带电粒子，有时会飞向地球，在那里它们会中断通讯，危及卫星和宇航员。
但正如科学家在1996年发现的那样，耀斑还能产生地震活动——太阳地震——释放脉冲声波，深入太阳内部。
虽然太阳耀斑和太阳地震之间的关系仍然是个谜，但新的发现表明，这些“声学瞬变”——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程度。
来自美国、哥伦比亚和澳大利亚的一组物理学家发现，2011年太阳耀斑释放的部分声能来自太阳表面下约1000公里的光球层，因此，远在引发地震的太阳耀斑之下。
结果,今天在《天体物理学杂志通讯》上报道的那样,来自一个叫helioseismic全息术的诊断技术,介绍了在1900年代末,法国科学家Franoise罗迪和广泛开发的美国科学家查尔斯·林赛和道格拉斯·布劳恩现在在西北研究协会在博尔德科罗拉多州和论文的合著者。
日震全息技术使科学家能够分析由耀斑触发的声波，以探测其来源，就像地球上大地震产生的地震波使地震学家能够确定其震中一样。在Lindsey和Braun的监督下，这项技术首先被罗马尼亚的一名研究生Alina-Catalina Donea应用于从照明弹中释放的声波瞬变。Donea现在在澳大利亚墨尔本的莫纳什大学。
2017年9月8日，美国国家航空航天局的太阳动力学观测站捕捉到这张中等强度(M8.1)太阳耀斑(右侧明亮区域)的照片。这幅图像混合了两种不同波长的极端紫外线。(图片由NASA/GSFC/SDO提供)
布劳恩说:“这是第一个专门设计用来直接区分重建震源深度的日光地震诊断方法，以及它们的水平位置。”
我们无法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，从那里它们可以逃逸到我们的望远镜，”合著者Juan Camilo Buitrago-Casas说，他是来自哥伦比亚的物理学博士生，来自加州大学伯克利分校。“我们可以通过地震波来了解太阳内部发生了什么。地震波在太阳表面产生涟漪，类似于地球上的地震引起的涟漪。大爆炸，比如耀斑，可以向太阳注入强大的声学脉冲，我们可以利用它的后续特征来绘制其来源的一些细节。这篇论文要传达的重要信息是，至少有一部分噪音的来源被深深地淹没了。我们报道的是太阳迄今为止所知的最深的声波源。”
太阳地震如何在太阳表面产生涟漪
在某些耀斑中引起太阳地震的声波爆炸会向各个方向辐射声波，主要是向下的。当向下传播的波穿过温度不断升高的区域时，它们的路径因折射而弯曲，最终返回到表面，在那里它们会产生涟漪，就像把石子扔进池塘后所看到的那样。从爆炸到涟漪的到达大约需要20分钟。
太阳耀斑引发声波(太阳地震)，这些声波向下传播，但由于温度升高，会弯曲或折射回太阳表面，在那里产生涟漪，地球轨道观测站可以看到这些涟漪。太阳物理学家已经发现太阳地震是由耀斑(上图)下方1000公里处的一次脉冲爆炸产生的，这表明太阳地震和耀斑之间的联系并不简单。(加州大学伯克利分校Juan Camilo Buitrago-Casas的漫画)
林赛说:“因此，波纹不仅仅是一种表面现象，而是一种波的表面特征，这些波已经深入到活跃区域之下，然后在随后的一小时内返回到外围表面。”分析表面波纹可以确定爆炸的来源。
“人们普遍认为声音活跃的耀斑释放的波是从上面注入到太阳内部的。我们所发现的是强烈的迹象，一些光源在光球层下面很远的地方，”哥伦比亚人Juan Carlos Martinez Oliveros说，他是加州大学伯克利分校空间科学实验室的太阳物理研究员。“耀斑似乎是声波短暂释放的前兆或触发器。太阳内部还发生了一些别的事情，产生了至少一部分的地震波。”
“用医学上的一个类比，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，我们正试图做一个CAT扫描，以三维的方式观察太阳内部。”Martinez Oliveros补充道。
哥伦比亚大学的学生安吉尔·马丁内斯和瓦莱里娅·昆特罗·奥尔特加和他们的导师、天文学副教授本杰明·卡尔沃-莫佐共同撰写了《ApJ Letters》的论文。
“我们对耀斑发出的声波已经了解20多年了，从那时起我们就一直在水平地对其声源进行成像。但直到最近我们才发现，其中的一些资源淹没在太阳表面之下。”林赛说。“这可能有助于解释一个巨大的谜团:其中一些声波来自不存在局部表面干扰的地方，我们可以直接看到电磁辐射。我们很长一段时间都在想这是怎么发生的。”
地震活跃的太阳
50多年来，天文学家们已经知道，太阳会反射地震波，就像地球和它的地震活动的稳定嗡嗡声一样。从太阳表面发射的光的多普勒频移可以探测到这种活动，这种活动被认为是由对流风暴驱动的，这些对流风暴形成了大约德克萨斯州大小的颗粒碎片，覆盖在太阳表面并持续轰隆作响。
24年前，天文学家瓦伦蒂娜·扎尔科娃和亚历山大·科索维切夫发现，在这种背景噪音中，磁场区域会引发剧烈的爆炸，释放出的波会在随后的一小时内形成壮观的涟漪，出现在太阳表面。
随着越来越多的太阳地震被发现，耀斑地震学也蓬勃发展起来，研究它们的力学和它们与活动性区域下磁通量结构的可能关系的技术也蓬勃发展起来。
悬而未决的问题是:哪些耀斑会产生和不会产生太阳地震?如果没有耀斑，太阳地震会发生吗?为什么太阳地震主要来自太阳黑子的边缘，或半暗带?最弱的耀斑会产生地震吗?下限是多少?
到目前为止，大多数太阳耀斑的研究都是一次性的，因为强烈的耀斑，即使是在太阳活动最活跃的时候，一年也可能只发生几次。最初的焦点是最大的(x级)耀斑，根据它们发出的软x射线的强度进行分类。Buitrago-Casas在哥伦比亚国立大学获得了学士和硕士学位，他与Lindsey和Martinez Oliveros合作，对相对较弱的太阳耀斑进行了系统的调查，以增加他们的数据库，以便更好地理解太阳地震的力学。
莱西卫星是美国宇航局的一颗x射线卫星，由空间科学实验室设计、建造和运行，并于2018年退役。在莱西卫星于2010年至2015年间捕捉到的75次耀斑中，有18次产生了太阳地震。2011年7月30日，Buitrago-Casas发布了其中一段声波瞬变，引起了本科生马丁内斯(现在是研究生)和Quintero Ortega的注意。
“我们给了我们在国立大学的学生合作伙伴我们调查中的闪光清单。他们就先说:‘看这一个。这是不同的!这里发生了什么?”Buitrago-Casas说。于是，我们找到了答案。太激动人心了!”
马丁内斯和金特罗·奥尔特加是描述2011年7月30日耀斑释放的极端脉冲波的第一作者，这篇论文发表在2020年5月20日的《天体物理学杂志快报》上。这些波的光谱成分为研究人员提供了前所未有的源分布的空间分辨率。
多亏了美国宇航局的太阳动力学观测卫星提供的极好的数据，该小组能够确定在光球层下1000公里处产生地震波的爆炸来源。相对于太阳近70万公里的半径，这是较浅的，但比之前已知的太阳声源更深。
一个源以其自身的形态淹没在太阳光球层之下，并且在外层大气中没有明显的直接覆盖干扰，这表明驱动声波瞬态的机制本身被淹没了。
林赛说:“它可以通过自身的能源引发小型爆炸，就像远程触发地震一样。”他说:“上面的耀斑震动了地表下的一些东西，然后一个非常紧凑的水下能量单元以声波的形式释放出来。”“毫无疑问，耀斑是其中的一部分，只是这种深层致密源的存在表明，可能是一种单独的、独特的、致密的水下能量源驱动了这种辐射。”
buitrago casas和Martinez Oliveros编录的中型太阳耀斑中，大约有一半与太阳地震有关，这表明它们通常同时发生。此后，研究小组发现了与更微弱的耀斑有关的其他水下信号源。
水下声源的发现引发了一个问题:是否存在在没有表面扰动或根本没有闪光的情况下自发释放的声瞬变现象。
马丁内斯·奥利维洛斯说:“如果太阳地震是自发产生的，这可能会给我们带来一种预测工具，如果这种暂态可以来自尚未突破太阳表面的磁通量。”“然后我们就可以预测随后不可避免的磁通量的出现。我们甚至可以预测一些细节，比如一个活跃区域将会出现多大，以及它可能会产生何种类型的耀斑——甚至可能会产生何种类型的耀斑。这是一个很长的机会，但很值得研究。”
相关信息
- 太阳耀斑瞬态声发射水下源(ApJ字母)
- 超脉冲太阳耀斑地震学
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.berkeley.edu/2020/09/21/can-ripples-on-the-sun-help-predict-solar-flares/