科学家分析地震：太阳上的涟漪能帮助预测太阳耀斑吗？

X级太阳耀斑（X9.3）于2017年9月6日发射，由美国国家航空航天局太阳动力学天文台在极紫外光下捕获。

科学家们分析了地震以查明火炬的能源，也许可以预测火炬的严重程度。

太阳耀斑是在太阳上发生的剧烈爆炸，它会将带高能量的粒子扑向地球，有时会冲向地球，从而干扰通信并危及卫星和宇航员的生命。

但是正如科学家在1996年发现的那样，耀斑还可以引发地震活动-地震-释放出冲动的声波，这些声波可以穿透到太阳的内部。

尽管太阳耀斑和地震之间的关系仍然是个谜，但新发现表明，这些“声瞬变”以及它们产生的表面波纹可以告诉我们很多有关耀斑的信息，也许有一天可以帮助我们预测耀斑的大小和严重程度。

一个来自美国，哥伦比亚和澳大利亚的物理学家团队发现，2011年一次耀斑释放的部分声能来自太阳表面以下约1000公里（光球）发出，因此远低于触发该事件的太阳耀斑以下。地震。

这项研究结果发表在2020年9月21日的《天体物理学杂志快报》上，该结果来自一种称为日震全息术的诊断技术，该技术是由法国科学家Franoise Roddier于1900年代后期引入的，并由现任Northwest Research的美国科学家Charles Lindsey和Douglas Braun广泛开发。科罗拉多州博尔德市的同事，以及该论文的合著者。

日震全息术使科学家能够分析由耀斑触发的声波以探测声源，就像地球上发生的特大地震所产生的地震波使地震学家能够确定其震中位置一样。该技术首先应用于罗马尼亚的研究生Alina-Catalina Donea在林赛（Lindsey）和布劳恩（Braun）的监督下从火炬释放的声瞬变。Donea现在就读于澳大利亚墨尔本的莫纳什大学。

美国国家航空航天局（NASA）的太阳动力学天文台在2017年9月8日拍摄了这张中级（M8.1）太阳耀斑（右图为亮区）的图像。该图像混合了两种不同波长的极紫外光。

“这是第一个专门设计用于直接区分其重建源的深度及其水平位置的螺旋地震诊断仪，” Braun说。

“我们无法直接看到太阳的内部。光子对我们来说是不透明的，它向我们展示了太阳的外部大气，它们可以从那里逃逸并到达我们的望远镜，”合著者胡安·卡米洛·布伊特拉戈·卡萨斯说。“我们知道太阳内部发生的事情的方式是通过地震波使太阳表面的涟漪与我们地球上的地震引起的涟漪相似。诸如火炬之类的大爆炸可以向太阳注入强大的声脉冲，我们可以使用其随后的特征来更详细地映射其源。本文的主要信息是，至少其中一些噪声的来源已被深深淹没。我们正在报告迄今为止在太阳中已知的最深的声波源。”

地震如何在太阳表面产生涟漪

在某些耀斑中引起地震的声爆会向各个方向（主要是向下）辐射声波。当向下移动的波在温度不断升高的区域中移动时，它们的路径会由于折射而弯曲，最终回到表面，并在其中产生涟漪，就像在池塘里扔卵石后看到的一样。爆炸到波纹到达之间的时间约为20分钟。

太阳耀斑会触发向下传播的声波（地震），但由于温度升高，它们会弯曲或折射回地面，在地面上产生的涟漪可以由绕地球运行的天文台看到。太阳物理学家发现火炬在火炬下方1,000公里（顶部）处发生脉冲爆炸而产生的地震，这表明，地震与火炬之间的联系并不简单。

Lindsey说：“那么，波纹不仅是表面现象，而且是波的表面特征，这些波已经深入到活动区域下方，然后在随后的一个小时内又返回到外围表面。”分析表面波纹可以查明爆炸的来源。

“人们普遍认为，由声活跃的耀斑释放的波是从上方注入到太阳内部的。加州大学伯克利分校空间科学实验室的太阳物理学研究员，哥伦比亚人胡安·卡洛斯·马丁内斯·奥利弗罗斯说，我们发现的结果是有力的迹象表明某些光源远低于光球。“看来，耀斑是释放出的声音瞬变的先兆或触发。太阳内部正在发生其他事情，这些事情至少会产生一部分地震波。”

“使用医学做一个比喻，我们（太阳物理学家）以前做过的事情就像使用X射线观察太阳内部的快照一样。现在，我们正在尝试进行CAT扫描，以便从三个维度查看太阳能内部。”MartínezOliveros补充说。

哥伦比亚人，包括波哥大国立大学的ÁngelMartínez和Valeria Quintero Ortega的学生，是《 ApJ Letters》论文的合著者，其导师是天文学副教授BenjamínCalvo-Mozo。

“我们已经知道耀斑的声波已有20多年了，自那时以来，我们一直在水平成像其声源。但是我们直到最近才发现其中一些来源被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：这些声波中的一些是从没有局部表面干扰的位置发出的，我们可以在电磁辐射中直接看到这些局部表面干扰。很长一段时间以来，我们一直在想这将如何发生。”

地震活跃的太阳

50多年来，天文学家已经知道太阳会在地震波中回荡，就像地球及其稳定的嗡嗡声一样。这种活动可以通过从表面发出的光的多普勒频移来检测，据了解，这是由对流风暴驱动的，对流风暴形成了与德克萨斯州差不多大小的颗粒，覆盖了太阳表面并不断发出隆隆声。

NASA的SolarDynamics天文台观测到的2011年7月30日太阳耀斑的延时序列。左框架显示琥珀色的可见光发射和红色显示过量的极端紫外线发射。右框显示了太阳表面发射的视线多普勒速度。在耀斑的脉冲阶段（时间轴上的IP）之后的20到40分钟之间，向下释放到下面的太阳内部的强烈声干扰折射回离耀斑部位数万公里的外围表面，直到引起向外传播的表面波纹（右框架）。电影比实时快200倍；与左侧相比，右侧框架中的波纹放大了三倍。

天文学家瓦伦蒂娜·扎尔科娃（Valentina Zharkova）和亚历山大·科索维奇耶夫（Alexander Kosovichev）24年前发现，在这种背景噪音中，磁性区域会引起剧烈爆炸，释放出波浪，形成引人注目的波纹，然后在随后的一个小时内出现在太阳表面。

随着更多的地震被发现，耀斑地震学也开始蓬勃发展，探索其力学及其与活动区域下面的磁通量结构之间可能关系的技术也在不断发展。

在未解决的问题中：哪些耀斑会产生和不会产生地震？可以在没有耀斑的情况下发生地震吗？为什么地震主要是从黑子或半影的边缘散发出来的？最弱的耀斑会产生地震吗？下限是多少？

到目前为止，大多数太阳耀斑都是一次性研究的，因为即使在太阳活动最活跃的时期，强耀斑一年也可能发生几次。最初的重点是最大的或X级耀斑，该耀斑按它们发出的柔和X射线的强度进行分类。Buitrago-Casas从哥伦比亚国立大学获得学士和硕士学位，他与Lindsey和MartínezOliveros合作对相对较弱的太阳耀斑进行了系统的调查，以增加其数据库，以更好地了解地震的机理。

在2010年至2015年之间，RHESSI卫星（由太空科学实验室设计，制造和运营，并于2018年退役）捕获的75张耀斑中，有18处发生了地震。Buitrago-Casas的一种声音瞬变是2011年7月30日爆发的，该瞬变引起了本科生Martínez（现为研究生）和Quintero Ortega的注意。

“我们向国立大学的学生合作者提供了我们调查中的耀斑清单。他们是第一个说的人，‘看看这个。这是不同的！这里发生了什么？'”布伊特拉戈-卡萨斯说。“因此，我们发现了。真是太刺激了！”

Martínez和Quintero Ortega是论文的第一批作者，该论文描述了2020年5月20日出版的《天体物理学杂志快报》 2011年7月30日那场耀斑所释放的海浪具有极强的冲动性。这些波具有频谱成分，这给研究人员提供了前所未有的源分布空间分辨率。

多亏了NASA的太阳动力学天文台卫星提供的出色数据，研究小组才能够查明爆炸源，该爆炸源在光圈以下1000公里处产生了地震波。相对于太阳近700,000公里的半径来说，这是浅的，但比太阳中以前已知的任何声源都要深。

具有自身形态的光源浸没在太阳光球以下，并且在外部大气中没有明显的直接上覆扰动，这表明驱动声瞬变的机制本身也被淹没。

Lindsey说：“它可以通过利用自身的能量触发紧凑爆炸来起作用，例如远程触发的地震。”他说：“上方的耀斑使表面下方的东西震动，然后，非常紧凑的浸没能量单元以声学声音的形式释放出来。”“毫无疑问，火炬会卷入其中，只是这种深层紧凑型能源的存在暗示了一种单独的，独特的，紧凑型，淹没式能源驱动排放的可能性。”

Buitrago-Casas和MartínezOliveros分类的中型太阳耀斑中大约有一半与地震有关，表明它们通常一起发生。此后，该小组发现了其他火星较弱的淹没源。

淹没声源的发现提出了这样一个问题，即是否存在声瞬变实例自发释放，完全没有表面扰动或完全没有耀斑的问题。

马丁内斯·奥利弗罗斯（MartínezOliveros）表示：“如果瞬变可能来自尚未破坏太阳表面的磁通量，那么如果太阳能在太阳下自发产生地震，那么这可能会导致我们成为一种预测工具。”“然后，我们可以预见随后不可避免地会出现该磁通量。我们甚至可以预测一些细节，这些细节将涉及活动区域的大小以及活动区域将产生什么类型的信号，甚至可能产生哪种类型的耀斑。这是一个远景，但值得研究。”

参考：

Charles Lindsey，JC Buitrago-Casas，Juan CarlosMartínezOliveros，Douglas Braun，Angel D.Martínez，Valeria Quintero Ortega，BenjamínCalvo-Mozo和Alina-Catalina Donea撰写的“太阳耀斑的瞬态声发射的淹没源”，2020年9月21日，《天体物理学杂志快报》。DOI：
10.3847 / 2041-8213 / abad2a

Angela D.Martínez，Valeria Quintero Ortega，J。C. Buitrago-Casas，Juan CarlosMartínezOliveros，BenjamínCalvo-Mozo和Charles Lindsey的“超脉冲太阳耀斑地震学”，2020年5月22日，天体物理学杂志信。
10.3847 / 2041-8213 / ab9173