В двух недавних исследованиях, опубликованных в Astrophysical Journal, обсуждаются результаты, касающиеся свойств солнечных вспышек, а также нового классификационного индекса и магнитного поля Солнца, в частности того, что называется солнечным магнитным пересоединением.
Эти исследования потенциально могут помочь исследователям лучше понять внутренние процессы на Солнце, в частности, связанные с активностью солнечных вспышек и космической погодой. Здесь Universe Today обсуждает эти два исследования с обоими ведущими авторами относительно мотивации, стоящей за исследованиями, важных результатов и последствий для нашего понимания солнечных вспышек и космической погоды.
В первом исследовании обсуждается новое понимание свойств солнечных вспышек и представлен новый классификационный индекс солнечных вспышек, который основан на предыдущих классификационных индексах, а также на научных достижениях в нашем понимании солнечных вспышек. Итак, что послужило мотивом для этого исследования?
"Начало нашего интереса к этому исследованию было положено работой моего консультанта, профессора Дж. Адам Ковальски за последнее десятилетие добился значительных успехов в классификации звездных вспышек с использованием аналогичного индекса", - рассказывает Universe Today Коул Тамбурри, кандидат наук на кафедре астрофизики и планетологии Университета Колорадо в Боулдере (CU Boulder) и ведущий автор исследования.
"Традиционно солнечные вспышки классифицируются в соответствии с пиковым потоком мягкого рентгеновского излучения. Однако по мере углубления нашего понимания физики вспышек мы узнали, что существует гораздо больше различий между вспышками, которые не учитываются системой классификации GOES — например, два события с одинаковой пиковой интенсивностью могут происходить в течение совершенно разных периодов времени (от нескольких минут до даже нескольких часов!), что свидетельствует о существенных различиях в физическом механизме".
Рентгеновский аппарат GOES soft в настоящее время классифицирует солнечные вспышки в диапазоне от наименьшей интенсивности до наибольшей, используя классы, обозначенные как A, B, C, M и X. Эти данные получены с помощью геостационарной оперативной экологической спутниковой системы (GOES), состоящей из четырех активных космических аппаратов, которые в настоящее время находятся на геосинхронной орбите и управляются Национальными океаническими и Управление по атмосферным воздействиям (NOAA) в Соединенных Штатах.
Эти данные отображаются в режиме реального времени в интерфейсе GOES X-ray flux, доступном на веб-сайте NOAA, где пользователи могут наблюдать за солнечной активностью в режиме реального времени, наблюдая, к какому классу относятся солнечные вспышки на графике, при этом данные обновляются каждые 10 минут.
В ходе исследования ученые стремились расширить и усовершенствовать классификационный индекс GOES, измеряя так называемую импульсивность, которую Тамбурри называет "внезапностью" высвобождения энергии.
В течение четырехлетнего периода с 2010 по 2014 год исследователи получили измерения импульсивности с помощью обсерватории солнечной динамики/эксперимента по экстремальному ультрафиолетовому излучению для 1368 солнечных вспышек, классифицировав их импульсивность как низкую, среднюю и высокую. Итак, каковы были наиболее значимые результаты этого исследования?
"В ходе этого проекта мы разработали и статистически проанализировали импульсивность большого количества вспышек в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне 304 ангстрема", - рассказывает Тамбурри в интервью Universe Today.
"Магнитное пересоединение - это процесс, который происходит, когда две противоположно ориентированные структуры магнитного поля взаимодействуют, образуя новые силовые линии, что приводит к интенсивному оттоку энергии из области, где происходит пересоединение, последствия которого мы затем наблюдаем в нижних слоях солнечной атмосферы в виде солнечной вспышки.
"Мы обнаружили, что импульсивность, что интересно, имеет умеренно сильную корреляцию с пиковой скоростью магнитного пересоединения. Это говорит о том, что особенности магнитного поля, присутствующего во время солнечной вспышки, действительно могут быть связаны с энергетикой самой вспышки (магнитудой и продолжительностью)".
Как отмечалось выше, это исследование основано на первоначальных исследованиях доктора Адама Ковальски, который, как отмечает Тамбурри, опубликовал исследование 2013 года, в котором обсуждалась связь между солнечными вспышками класса М и свойствами звезд. Эта работа, связанная с импульсивностью, была продолжена другим консультантом Тамбурри, доктором Марией Казаченко, которая опубликовала исследование 2017 года, посвященное новому каталогу свойств вспышечных лент.
Наконец, в двух исследованиях 2022 года (Далин и другие, 2022 и Цю и другие, 2022) обсуждалась потенциальная связь между импульсивностью солнечных вспышек и поведением магнитного поля Солнца при возникновении солнечной вспышки. По словам Тамбурри, цель этого недавнего исследования состояла в том, чтобы расширить обсуждение импульсивности путем выборки множества солнечных вспышек.
Что касается будущей работы, Тамбурри говорит Universe Today, что есть три направления исследований, в которых они могут развиваться: 1) Расширить индекс импульсивности, включив в него различные длины волн, поскольку это определяет точность измерений солнечных вспышек и импульсивности; 2) После определения удовлетворительной длины волны планируется сравнение солнечных вспышек со вспышками звезд. 3) использование моделей для моделирования и выявления истоков и физических факторов, лежащих в основе импульсивной активности.
Наблюдения и исследования солнечных вспышек датируются серединой 19 века, когда два астронома-любителя, Ричард Кэррингтон и Ричард Ходжсон, впервые зарегистрировали солнечную вспышку с помощью оптического телескопа. Дальнейшие исследования были проведены случайно с использованием радионаблюдений во время Второй мировой войны британскими радистами в феврале 1942 года, и их результаты были обнародованы только после окончания войны в 1945 году.
После начала космической эры было обнаружено, что космические телескопы лучше всего подходят для наблюдения солнечных вспышек, поскольку атмосфера Земли блокирует большое количество солнечной радиации, что ограничивает возможности наземных телескопических наблюдений. Это позволило проводить практически незаметные наблюдения за солнечной активностью, что привело к лучшему пониманию солнечных вспышек. Итак, какое влияние этот новый индекс импульсивности может оказать на наше понимание солнечных вспышек?
"На данный момент мы не до конца понимаем быструю и интенсивную начальную фазу (импульсивную фазу) вспышки", - говорит Тамбурри в интервью Universe Today.
"В конечном счете, точная и полная картина процесса вспышки должна связать воедино процесс вспышки во всех режимах — магнитное поле в короне низкой плотности, высокоэнергетические процессы в плотной хромосфере и даже то, что находится ниже, в фотосфере.
"Хотя мы еще далеки от этого, сопоставление того, что мы видим во время солнечной вспышки, с тем, что мы можем сделать о магнитном поле в активной области до, во время и после события, может помочь создать единую картину".
Активность солнечных вспышек относится к категории космической погоды, которая представляет собой активность на поверхности Солнца, которая может влиять на активность как на поверхности Земли, так и на орбите. Хотя это часто приводит к прекрасным полярным сияниям, наблюдаемым в высоких северных и южных широтах, такое жесткое солнечное излучение потенциально может повредить спутники и наземные электронные станции, вызывая массовые отключения электричества и связи по всему миру.
Самый известный случай солнечной активности, повлекший за собой массовый ущерб земной поверхности, известен как событие Кэррингтона, которое произошло 1-2 сентября 1859 года, во время самой сильной солнечной бури за всю историю наблюдений.
Результатом стали массовые случаи искрения и возгорания на телеграфных станциях по всему миру, а также сообщения о наблюдениях полярных сияний по всему миру. Итак, какое влияние может оказать этот новый индекс импульсивности на наше понимание космической погоды и способов защиты от нее?
Тамбурри рассказывает Universe Today: "В некотором смысле, одной из реальных опасностей солнечных вспышек/штормов, связанных с космической погодой, является неопределенность в отношении конкретных характеристик происходящего события — подобно двум снежинкам, нет двух абсолютно одинаковых солнечных вспышек! Несмотря на десятилетия исследований, в прогнозировании вспышек по-прежнему много неясностей; даже после того, как вспышка началась, трудно точно сказать, насколько мощной она будет и как долго продлится.
"Если мы сможем четко привязать индекс импульсивности к отчетливым признакам в топологии магнитного поля (из которых мы можем сделать вывод о запасенной энергии), это, возможно, даст нам немного больше информации о том, насколько интенсивной мы ожидаем вспышку, и используя эти знания, мы сможем смягчить влияние вспышки на технологию на Земле и вокруг нее."
Тамбурри сообщает Universe Today, что эта работа была выполнена при поддержке Национального научного фонда в рамках программы DKIST Ambassadors, а также под руководством Национальной солнечной обсерватории и Ассоциации университетов по исследованиям в области астрономии, Inc., а также благодаря Университету Колорадо в Боулдере и стипендии Джорджа Эллери Хейла для выпускников.
Во втором исследовании обсуждаются новые данные о свойствах магнитного пересоединения Солнца, которое является основным процессом во время солнечных бурь, преобразующим магнитную энергию в тепловую энергию (тепло), кинетическую энергию (движение) и ускорение частиц.
Хотя изучение этого явления могло бы помочь ученым лучше понять механизмы, стоящие за солнечными бурями, отсутствие данных высокого разрешения до сих пор не позволяло проводить углубленные наблюдения. Итак, какова конкретная мотивация этого исследования, связанного с солнечным магнитным переподключением?
Марсель Корчадо-Альбело, который также является аспирантом факультета астрофизических и планетарных наук Калифорнийского университета в Боулдере и ведущим автором исследования, рассказывает Universe Today: "В настоящее время наши методы измерения магнитного поля Солнца обычно ограничены солнечной поверхностью или фотосферой, или в редких случаях в случае, когда магнитное поле измерялось в верхних слоях солнечной атмосферы, измерениям не хватает временной последовательности для отслеживания эволюции процессов повторного подключения.
"Поэтому ученые использовали косвенные измерения с использованием вспышечных лент для расчета свойств магнитного пересоединения, таких как магнитный поток пересоединения".
Корчадо-Альбело продолжает: "Обширная статистическая работа показала, что эти измерения, полученные на основе вспышечных лент, хорошо коррелируют с другими переменными, такими как сила солнечной вспышки. Эти результаты побудили нас изучить, как изменялся во времени поток солнечного магнитного пересоединения во время солнечных вспышек.
"При изучении скорости изменения магнитного потока повторного подключения мы обнаружили, что большое количество вспышек сопровождалось всплесками, которые напоминают сложные колебательные характеристики, обычно встречающиеся в многоволновом излучении, называемые квазипериодическими пульсациями (QPPS)".
Для исследования исследователи проанализировали данные изображений высокого разрешения из набора солнечных вспышек M-класса и X-класса, а также статистический анализ 73 солнечных вспышек в диапазоне от C-класса до X-класса с использованием известной компьютерной базы данных flare ribbon для определения свойств QPP.
Лучшее понимание механизмов, ответственных за QPPS, позволит лучше понять энергию солнечных вспышек и активность в атмосфере Солнца, а также их связь с солнечным магнитным пересоединением.
Предыдущие исследования QPP включали наблюдение за QPP с помощью космического телескопа XMM-Newton Европейского космического агентства, изучение их связи с повторяющимися струями и проведение всестороннего анализа QPP. Итак, каковы были наиболее значимые результаты этого исследования?
"Наши результаты показали, что всплеск скорости магнитного пересоединения действительно может быть описан как QPPs с характеристиками, сходными с характеристиками рентгеновского излучения тех же солнечных вспышек", - говорит Корчадо-Альбело в интервью Universe Today.
"Этот результат позволяет предположить, что процесс, посредством которого модулируется поток магнитного пересоединения, описываемый вспышечными лентами, связан, если не совпадает, с процессом, посредством которого формируются рентгеновские QPP".
Корчадо-Альбело продолжает: "Дополнительные данные, полученные в результате морфологической эволюции ленты вспышек, когда были доступны наблюдения, позволяют предположить, что солнечная плазма в области магнитного пересоединения (называемой токовым слоем) испытывает некоторую плазменную нестабильность. Наши результаты оказались неубедительными в отношении того, какой процесс приводит к совместному наблюдению QPPs в потоке магнитного пересоединения и рентгеновском излучении".
Наряду с приведенным выше описанием, солнечное магнитное пересоединение также включает в себя мощное магнитное поле Солнца, также называемое солнечным динамо. Несмотря на то, что он намного больше по размеру, чем магнитное поле Земли, его поведение может быть столь же неустойчивым, поскольку известно, что магнитное поле Земли испытывает колебания из-за взаимодействия с солнечным ветром, который солнце испускает ежедневно.
В отличие от Земли, поверхность Солнца постоянно меняется, поскольку оно, по сути, представляет собой массивный шар плазмы и вызывает еще более неустойчивое поведение в своем магнитном поле.
Такое поведение часто приводит к тому, что силовые линии магнитного поля Солнца буквально запутываются по мере вращения Солнца и, в частности, по мере того, как его поверхность непрерывно вращается, что приводит к периодическим солнечным пятнам и солнечной активности, включая солнечные вспышки. Итак, какое значение это исследование может иметь для нашего понимания магнитного поля Солнца?
"Результаты этого исследования показывают, что плазма, содержащаяся в области, где происходит магнитное пересоединение во время солнечной вспышки, вовлечена в очень сложную динамику", - говорит Корчадо-Альбело в интервью Universe Today.
"Понимание происхождения этой динамики может помочь нам диагностировать свойства солнечных магнитных полей, участвующих в повторном подключении вспышки. Свойства, которые могут помочь нам, возможно, ограничить геометрию магнитного поля вспышки, а также, возможно, напряженность поля в области повторного подключения.
"Эти свойства имеют большое значение в наших усилиях по улучшению наших моделей солнечных вспышек, а также в тех случаях, когда физика, лежащая в основе солнечных вспышек, сопоставима с физикой Солнца, звездных вспышек".
Как и первое исследование, рассмотренное ранее, это исследование позволяет лучше понять активность солнечных вспышек и космическую погоду, причем последняя оказывает непосредственное влияние на космическую и наземную деятельность, начиная от связи и заканчивая электричеством.
Лучшее понимание активности солнечных вспышек может помочь ученым лучше прогнозировать космическую погоду, особенно с учетом того, что каждые 11 лет солнце проходит так называемые солнечные циклы, когда магнитное поле Солнца меняется, что приводит к увеличению количества солнечных пятен и другой солнечной активности, включая космическую погоду. Итак, какое влияние это исследование может оказать на наше понимание солнечных вспышек и космической погоды?
Корчадо-Альбело рассказывает изданию Universe Today: "КТП в рентгеновском излучении являются хорошо известной и общей особенностью солнечных и звездных вспышек. Тем не менее, нет полного согласия относительно процесса, посредством которого образуются рентгеновские КТП.
"Наши результаты являются прямым доказательством того, что эти QPP, по крайней мере, связаны с процессами, которые модулировали динамическую эволюцию вспыхивающих магнитных полей. Это шаг вперед к пониманию деталей, связанных с тем, как частицы плазмы в области пересоединения ускоряются и приводят к квантовым всплескам, наблюдаемым при солнечных вспышках".
Корчадо-Альбело продолжает: "Все эти детали необходимо воспроизвести с помощью моделей вспышек, чтобы получить реалистичное представление о процессах, происходящих на Солнце, которые затем могут быть использованы для прогнозирования солнечных вспышек и их свойств. Это бесценный первый шаг к надежному прогнозированию космической погоды".
