В двух недавних исследованиях, опубликованных в «Астрофизическом журнале», обсуждаются результаты, касающиеся свойств солнечных вспышек, нового классификационного индекса и магнитного поля Солнца, в частности того, что называется солнечным магнитным пересоединением. Эти исследования могут помочь исследователям лучше понять внутренние процессы Солнца, особенно связанные с активностью солнечных вспышек и космической погодой. Здесь Universe Today обсуждает эти два исследования с обоими ведущими авторами относительно мотивации исследований, важных результатов и последствий для нашего понимания солнечных вспышек и космической погоды.
В первом исследовании обсуждаются новые взгляды на свойства солнечных вспышек и представлен новый индекс классификации солнечных вспышек, который основывается на предыдущих классификационных индексах, а также на научных достижениях в нашем понимании солнечных вспышек. Итак, какова была мотивация этого исследования?
«Наш интерес к этому исследованию был вдохновлен работой, которую мой научный руководитель, профессор Адам Ковальски, проделал за последнее десятилетие по классификации звездных вспышек с использованием аналогичного индекса», — Коул Тамбурри, кандидат наук в Департаменте космических исследований. Астрофизические и планетарные науки из Университета Колорадо в Боулдере (CU Boulder) и ведущий автор исследования рассказали Universe Today . «Традиционно солнечные вспышки классифицируются по пиковому потоку мягкого рентгеновского излучения GOES. Однако по мере развития нашего понимания физики вспышек мы узнали, что существует гораздо большее разнообразие между событиями вспышек, которое не фиксируется системой классификации GOES – например, два события с одинаковой пиковой интенсивностью могут произойти в совершенно разные периоды времени. (от нескольких минут до даже нескольких часов!), что свидетельствует о существенных различиях в физическом механизме».
Мягкий рентгеновский снимок GOES в настоящее время классифицирует солнечные вспышки от самой низкой интенсивности до самой высокой, используя классы, обозначенные как A, B, C, M и X. Эти данные собираются из системы геостационарного оперативного спутника окружающей среды (GOES), состоящей из четырех активных космических аппаратов, которые в настоящее время активны. находится на геостационарной орбите и управляется Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (НОАА) США. Эти данные отображаются в режиме реального времени на интерфейсе рентгеновского потока GOES, доступном на веб-сайте NOAA, где пользователи могут наблюдать за солнечной активностью в реальном времени, одновременно просматривая, какому классу соответствуют солнечные вспышки на графике, причем данные обновляются каждые 10 минут.
В ходе исследования исследователи стремились расширить и улучшить классификационный индекс GOES, измеряя так называемую импульсивность, которую Тамбурри называет «внезапностью» высвобождения энергии. В течение четырехлетнего периода с 2010 по 2014 год исследователи провели измерения импульсивности с помощью Обсерватории солнечной динамики/Эксперимента по экстремальному ультрафиолету для 1368 солнечных вспышек, классифицируя их импульсивность как низкую, среднюю и высокую. Итак, каковы же наиболее значимые результаты этого исследования?
«В ходе этого проекта мы разработали и статистически проанализировали импульсивность большого количества вспышек в крайнем ультрафиолетовом диапазоне 304 Ангстрем», — рассказал Тамбурри Universe Today . «Магнитное пересоединение — это процесс, который происходит, когда две противоположно ориентированные структуры магнитного поля взаимодействуют с образованием новых силовых линий, что приводит к интенсивному оттоку энергии из области, где происходит пересоединение, эффекты которого мы затем наблюдаем в нижних слоях солнечной атмосферы как солнечная вспышка. Мы обнаружили, что импульсивность, что интересно, имеет умеренно сильную корреляцию с пиковой скоростью магнитного пересоединения. Это говорит о том, что детали магнитного поля, присутствующего во время солнечной вспышки, действительно могут быть связаны с энергетикой самой вспышки (величиной и продолжительностью)».
Как отмечалось выше, это исследование основано на первоначальных исследованиях доктора Адама Ковальски, который, как отмечает Тамбурри, опубликовал исследование 2013 года, в котором обсуждается связь между солнечными вспышками М-класса и свойствами звезд. Эта работа, связанная с импульсивностью, была дополнительно расширена другим советником Тамбурри, доктором Марией Казаченко, которая опубликовала в 2017 году исследование, в котором обсуждается новый каталог свойств вспышечной ленты. Наконец, в двух исследованиях 2022 года (Далин и др., 2022 и Цю и др., 2022) обсуждалась потенциальная связь между импульсивностью солнечных вспышек и поведением магнитного поля Солнца во время солнечной вспышки. По словам Тамбурри, целью этого недавнего исследования было расширить обсуждение импульсивности путем выборки множества солнечных вспышек.
Что касается будущей работы, Тамбурри рассказал Universe Today , что здесь они могут пойти по трем направлениям исследований: 1) расширение индекса импульсивности, включив в него различные длины волн, поскольку это определяет точность измерений солнечных вспышек и импульсивности; 2) После определения удовлетворительной длины волны планируется провести сравнение солнечных вспышек со звездными вспышками; 3) Использование моделей для моделирования и выявления причин и физических причин импульсивности.
Наблюдения и исследования солнечных вспышек датируются серединой XIX века. й века, когда первые зарегистрированные наблюдения солнечной вспышки были проведены двумя астрономами-любителями, Ричардом Кэррингтоном и Ричардом Ходжсоном, с использованием оптического телескопа. Дальнейшие исследования произошли случайно с использованием радионаблюдений британских радистов во время Второй мировой войны в феврале 1942 года, и их результаты не были обнародованы до 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, ограничивая наблюдения с наземных телескопов. Это позволило практически незаметно наблюдать солнечную активность, что привело к лучшему пониманию солнечных вспышек. Итак, какие последствия может иметь этот новый индекс импульсивности для нашего понимания солнечных вспышек?
«На данный момент мы не до конца понимаем быструю и интенсивную начальную фазу (импульсную фазу) вспышки», — рассказал Тамбурри изданию Universe Today . «В конечном итоге точная, полная картина вспышечного процесса должна связать воедино вспышечный процесс во всех режимах – магнитном поле в короне низкой плотности, высокоэнергетических процессах в плотной хромосфере и даже в том, что лежит ниже, в фотосфера. Хотя мы далеки от этого, соединение того, что мы видим во время солнечной вспышки, с тем, что мы можем сделать вывод о магнитном поле в активной области до, во время и после события, может помочь создать эту единую картину».
Активность солнечных вспышек подпадает под категорию космической погоды, то есть активности на поверхности Солнца, которая может влиять на активность как на поверхности Земли, так и на орбите. Хотя это часто приводит к красивым полярным сияниям, наблюдаемым в высоких северных и южных широтах, это резкое солнечное излучение потенциально может повредить спутники и наземные электронные станции, вызывая массовые отключения электроэнергии и связи по всему миру.
Самый почитаемый случай солнечной активности, причинивший обширный ущерб земной поверхности, известен как событие Кэррингтона, которое произошло между 1 и 2 сентября 1859 года, во время самой сильной солнечной бури за всю историю наблюдений. Результатом стали массовые случаи возникновения искр и пожаров на телеграфных станциях по всему миру, а также сообщения о наблюдениях полярных сияний по всему миру. Итак, какие последствия может иметь этот новый индекс импульсивности для нашего понимания космической погоды и способов защиты от нее?
Тамбурри рассказал Universe Today : «В некотором смысле, одна из реальных опасностей солнечных вспышек/штормов, связанных с космической погодой, заключается в неопределенности относительно конкретных характеристик события в то время, когда оно происходит. точно так же! Несмотря на десятилетия исследований, в прогнозировании вспышек все еще существует много неточностей; даже когда вспышка начнется, трудно точно сказать, насколько энергичной будет вспышка и как долго она продлится. Если мы сможем четко связать индекс импульсивности с различными признаками топологии магнитного поля (из которых мы можем сделать вывод о запасенной энергии), это, возможно, расскажет нам немного больше о том, насколько интенсивной, по нашим ожиданиям, будет вспышка, и используя какие знания мы сможем может смягчить воздействие вспышки на технологии на Земле и вокруг нее».
Тамбурри рассказал Universe Today , что эта работа была поддержана Национальным научным фондом в рамках программы DKIST Ambassadors, а также управлялась Национальной солнечной обсерваторией и Ассоциацией университетов по исследованиям в области астрономии, Inc., а также выразила благодарность Университету Колорадо. Боулдер и стипендия Джорджа Эллери Хейла.
Во втором исследовании обсуждаются новые сведения о свойствах солнечного магнитного пересоединения, 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 солнечных бурь, отсутствие данных с высоким разрешением до сих пор не позволяло проводить углубленные наблюдения. Итак, какова конкретная мотивация этого исследования, связанного с солнечным магнитным пересоединением?
Марсель Корчадо-Альбело, который также является аспирантом факультета астрофизических и планетарных наук в Калифорнийском университете в Боулдере и ведущим автором исследования, рассказал Universe Today : «В настоящее время наши методы измерения солнечного магнитного поля обычно ограничиваются солнечным магнитным полем. поверхности или фотосферы, или в редких случаях, когда магнитное поле измерялось в более высоких слоях солнечной атмосферы, измерениям не хватает временной каденции для отслеживания эволюции процессов пересоединения. Поэтому ученые использовали косвенные измерения с использованием вспышечных лент для расчета свойств магнитного пересоединения, таких как поток магнитного пересоединения».
Корчадо-Альбело продолжает: «Обширная статистическая работа показала, что эти измерения, полученные с помощью ленты вспышек, хорошо коррелируют с другими переменными вспышки, такими как сила солнечной вспышки. Эти результаты побудили нас изучить, как поток солнечного магнитного пересоединения менялся во времени во время солнечных вспышек. Изучая скорость изменения потока магнитного пересоединения, мы обнаружили, что большое количество вспышек демонстрировали всплески, напоминающие сложные колебательные характеристики, обычно встречающиеся в многоволновом излучении, называемые квазипериодическими пульсациями (КПП)».
Для исследования исследователи проанализировали данные изображений с высоким разрешением ряда солнечных вспышек M-класса и X-класса, а также статистический анализ 73 солнечных вспышек от C-класса до X-класса, используя известную компьютерную базу данных вспышечных лент, чтобы установить Свойства КПП. Лучшее понимание механизмов, ответственных за QPP, позволит лучше понять энергию и активность солнечных вспышек в атмосфере Солнца, а также их связь с солнечным магнитным пересоединением. Предыдущие исследования QPP включали наблюдение 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 действительно всплеск скорости магнитного пересоединения можно описать как QPP с характеристиками, аналогичными тем, которые обнаружены в рентгеновском излучении тех же солнечных вспышек», — рассказал Корчадо-Альбело Universe Today . «Этот результат предполагает, что процесс, посредством которого модулируется поток магнитного пересоединения, описываемый вспышечными лентами, связан, если не совпадает, с процессом формирования рентгеновских КПП».
Корчадо-Альбело продолжает: «Дополнительные данные морфологической эволюции вспышечной ленты, 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 КПП в потоке магнитного пересоединения и рентгеновском излучении».
Помимо приведенного выше описания, солнечное магнитное пересоединение также включает в себя массивное магнитное поле Солнца, также называемое солнечным динамо. Несмотря на его гораздо больший размер, чем магнитное поле Земли, его поведение может быть столь же хаотичным, поскольку известно, что магнитное поле Земли испытывает изменения из-за его взаимодействия с солнечным ветром, который Солнце излучает ежедневно. В отличие от Земли, поверхность Солнца постоянно меняется, поскольку по сути оно представляет собой массивный плазменный шар и вызывает еще более беспорядочное поведение в своем магнитном поле.
Такое поведение часто приводит к тому, что линии магнитного поля Солнца буквально запутываются по мере вращения Солнца, в частности, когда его поверхность постоянно вращается, что приводит к периодическим солнечным пятнам и солнечной активности, включая солнечные вспышки. Итак, какие последствия может иметь это исследование 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», — рассказал Корчадо-Альбело Universe Today . «Понимание происхождения этой динамики может помочь нам диагностировать свойства солнечных магнитных полей, участвующих в пересоединении вспышек. Свойства, которые могли бы помочь нам ограничить геометрию вспыхивающего магнитного поля, а также потенциально силу поля в области пересоединения. Эти свойства имеют большую ценность в наших попытках лучше ограничить наши модели солнечных вспышек, а в тех случаях, когда основная физика солнечных вспышек сравнима с физикой Солнца, звездных вспышек».
Как и первое исследование, обсуждавшееся ранее, это исследование соответствует лучшему пониманию активности солнечных вспышек и космической погоды, причем последняя оказывает прямое 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 потому, что Солнце проходит так называемые солнечные циклы каждые 11 лет, когда магнитное поле Солнца меняется, что приводит к увеличению количества солнечных пятен и другой солнечной активности, включая космическую погоду. Итак, какие последствия может иметь это исследование для нашего понимания солнечных вспышек и космической погоды?
Корчадо-Альбело рассказал Universe Today : «КПП в рентгеновском излучении — хорошо известная и общая особенность солнечных и звездных вспышек. Тем не менее, не существует полного консенсуса относительно процесса формирования рентгеновских КПП. Наши результаты прямо доказывают, что эти КПП, по крайней мере, связаны с процессами, которые модулируют динамическую эволюцию вспышечных магнитных полей. Это шаг вперед к пониманию деталей того, как частицы плазмы в области пересоединения ускоряются и приводят к возникновению КПП, наблюдаемых в солнечных вспышках».
Корчадо-Альбело продолжает: «Все эти детали должны быть воспроизведены с помощью моделей вспышек, чтобы обеспечить реалистичное представление процесса, происходящего на Солнце, который затем можно будет использовать для прогнозирования солнечных вспышек и их свойств. Это бесценный первый шаг к надежному прогнозированию космической погоды».
Как и первое исследование, это исследование также финансировалось Национальным научным фондом через программу DKIST Ambassadors при поддержке Департамента астрофизических и планетарных наук Калифорнийского университета в Боулдере.
Какие новые открытия о солнечных вспышках и солнечной активности сделают ученые в ближайшие годы и десятилетия? Только время покажет, и именно поэтому мы занимаемся наукой!
Как всегда, продолжайте заниматься наукой и продолжайте искать!
