Quando il nostro Sole erutta con esplosioni giganti, come esplosioni di radiazioni chiamate brillamenti solari, sappiamo che possono influenzare lo spazio in tutto il sistema solare e vicino alla Terra. Ma monitorare i loro effetti richiede di avere osservatori in molti luoghi con molte prospettive, allo stesso modo in cui i sensori meteorologici su tutta la Terra possono aiutarci a monitorare cosa sta succedendo con una tempesta terrestre.

Utilizzando più osservatori, due studi recenti mostrano come i brillamenti solari mostrino impulsi o oscillazioni nella quantità di energia che viene emessa. Tale ricerca fornisce nuove intuizioni sulle origini di questi massicci brillamenti solari e sul clima spaziale che producono, che sono informazioni chiave mentre gli umani e le missioni robotiche si avventurano nel sistema solare, sempre più lontano da casa.

Il primo studio ha individuato oscillazioni durante un brillamento, inaspettatamente, nelle misurazioni della produzione totale di energia ultravioletta estrema del Sole, un tipo di luce invisibile agli occhi umani. Il 15 febbraio, 2011, il Sole ha emesso un brillamento solare di classe X, il tipo più potente di queste intense esplosioni di radiazioni. Poiché gli scienziati avevano più strumenti per osservare l'evento, sono stati in grado di tracciare le oscillazioni nella radiazione del brillamento, accadendo simultaneamente in diversi insiemi di osservazioni.

"Qualsiasi tipo di oscillazione del Sole può dirci molto sull'ambiente in cui si verificano le oscillazioni, o sul meccanismo fisico responsabile della modifica delle emissioni, "ha detto Ryan Milligan, autore principale di questo primo studio e fisico solare presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, e l'Università di Glasgow in Scozia. In questo caso, gli impulsi regolari della luce ultravioletta estrema indicavano che i disturbi, simili ai terremoti, si stavano increspando attraverso la cromosfera, la base dell'atmosfera esterna del Sole, durante il bagliore.

Ciò che ha sorpreso Milligan riguardo alle oscillazioni è stato il fatto che sono state osservate per la prima volta nei dati nell'ultravioletto estremo del GOES di NOAA, abbreviazione di Geostationary Operation Environmental Satellite, che risiede nello spazio vicino alla Terra. La missione studia il Sole dalla prospettiva della Terra, raccogliere dati sui raggi X e sull'irradiamento ultravioletto estremo, la quantità totale di energia solare che raggiunge l'atmosfera terrestre nel tempo.

Questo non era un tipico set di dati per Milligan. Mentre GOES aiuta a monitorare gli effetti delle eruzioni solari nell'ambiente spaziale terrestre, noto collettivamente come meteorologia spaziale, il satellite non è stato inizialmente progettato per rilevare dettagli fini come queste oscillazioni.

Quando si studiano i brillamenti solari, Milligan utilizza più comunemente dati ad alta risoluzione su una specifica regione attiva nell'atmosfera del Sole per studiare i processi fisici alla base dei brillamenti. Questo è spesso necessario per ingrandire gli eventi in una particolare area, altrimenti possono essere facilmente persi sullo sfondo della costante del Sole, radiazione intensa.

"I flare stessi sono molto localizzati, quindi per le oscillazioni da rilevare al di sopra del rumore di fondo delle emissioni regolari del Sole e mostrarsi nei dati di irraggiamento è stato molto sorprendente, " ha detto Milligan.

Ci sono state precedenti segnalazioni di oscillazioni nei dati dei raggi X GOES provenienti dall'atmosfera superiore del Sole, chiamato corona, durante i brillamenti solari. La cosa unica in questo caso è che gli impulsi sono stati osservati nell'emissione ultravioletta estrema a frequenze che mostrano che hanno avuto origine più in basso, nella cromosfera, fornendo maggiori informazioni su come l'energia di un brillamento viaggia attraverso l'atmosfera del Sole.

Per essere sicuri che le oscillazioni fossero reali, Milligan e i suoi colleghi hanno controllato i dati corrispondenti di altri strumenti di osservazione del Sole a bordo del Solar Dynamics Observatory o SDO della NASA, in breve:uno che raccolga anche dati sull'irradianza ultravioletta estrema e un altro che immagini la corona in diverse lunghezze d'onda della luce. Hanno trovato esattamente gli stessi impulsi in quei set di dati, confermando che erano un fenomeno con la sua fonte al sole. I loro risultati sono riassunti in un articolo pubblicato su Le Lettere del Giornale Astrofisico il 9 ottobre, 2017.

Queste oscillazioni interessano gli scienziati perché potrebbero essere il risultato di un meccanismo mediante il quale i brillamenti emettono energia nello spazio, un processo che non comprendiamo ancora appieno. Inoltre, il fatto che le oscillazioni siano apparse nei set di dati generalmente utilizzati per monitorare modelli spaziali più grandi suggerisce che potrebbero svolgere un ruolo nel guidare gli effetti meteorologici nello spazio.

Nel secondo studio, gli scienziati hanno studiato una connessione tra i brillamenti solari e l'attività nell'atmosfera terrestre. Il team ha scoperto che gli impulsi nello strato elettrificato dell'atmosfera, chiamato ionosfera, rispecchiavano le oscillazioni dei raggi X durante un 24 luglio, 2016, Bagliore di classe C. I brillamenti di classe C sono di intensità medio-bassa, e circa 100 volte più deboli degli X-flare.

Allungando da circa 30 a 600 miglia sopra la superficie terrestre, la ionosfera è una regione dell'atmosfera in continua evoluzione che reagisce ai cambiamenti sia dalla Terra sottostante che dallo spazio sopra. Si gonfia in risposta alla radiazione solare in arrivo, che ionizza i gas atmosferici, e si rilassa di notte mentre le particelle cariche si ricombinano gradualmente.

In particolare, il team di scienziati, guidato da Laura Hayes, un fisico solare che divide il suo tempo tra la NASA Goddard e il Trinity College di Dublino, Irlanda, e il suo relatore di tesi Peter Gallagher, hanno osservato come lo strato più basso della ionosfera, chiamata la regione D, ha risposto alle pulsazioni in un brillamento solare.

"Questa è la regione della ionosfera che influenza le comunicazioni ad alta frequenza e i segnali di navigazione, "Hayes ha detto. "I segnali viaggiano attraverso la regione D, e i cambiamenti nella densità elettronica influiscono sull'assorbimento del segnale, o degradato".

Gli scienziati hanno utilizzato dati a frequenza molto bassa, o VLF, segnali radio per sondare gli effetti del brillamento sulla regione D. Questi erano segnali di comunicazione standard trasmessi dal Maine e ricevuti in Irlanda. Più densa è la ionosfera, più è probabile che questi segnali incontrino particelle cariche lungo il loro percorso da un trasmettitore di segnale al suo ricevitore. Monitorando come i segnali VLF si propagano da un'estremità all'altra, gli scienziati possono mappare i cambiamenti nella densità elettronica.

Mettendo insieme i dati VLF e le osservazioni dei raggi X e dell'ultravioletto estremo da GOES e SDO, il team ha scoperto che la densità elettronica della regione D pulsava di concerto con gli impulsi dei raggi X sul Sole. Hanno pubblicato i loro risultati nel Giornale di ricerca geofisica il 17 ottobre 2017.

"I raggi X incidono sulla ionosfera e poiché la quantità di radiazione di raggi X in entrata sta cambiando, cambia anche la quantità di ionizzazione nella ionosfera, " disse Jack Ireland, coautore di entrambi gli studi e fisico solare Goddard. "Abbiamo già visto oscillazioni dei raggi X prima, ma la risposta della ionosfera oscillante non è stata rilevata in passato".

Hayes e i suoi colleghi hanno utilizzato un modello per determinare quanto cambiasse la densità elettronica durante il brillamento. In risposta alle radiazioni in arrivo, hanno scoperto che la densità è aumentata fino a 100 volte in soli 20 minuti durante gli impulsi:un'osservazione entusiasmante per gli scienziati che non si aspettavano che i segnali oscillanti in un brillamento avrebbero avuto un effetto così evidente nella ionosfera. Con ulteriori studi, il team spera di capire come la ionosfera risponde alle oscillazioni dei raggi X in diverse scale temporali, e se altri brillamenti solari inducono questa risposta.

"Questo è un risultato entusiasmante, mostra che l'atmosfera terrestre è più strettamente legata alla variabilità dei raggi X solari di quanto si pensasse in precedenza, "Hayes ha detto. "Ora abbiamo in programma di esplorare ulteriormente questa relazione dinamica tra il Sole e l'atmosfera terrestre".

Entrambi questi studi hanno tratto vantaggio dal fatto che siamo sempre più in grado di monitorare l'attività solare e la meteorologia spaziale da una serie di punti di vista. Comprendere il clima spaziale che ci influenza sulla Terra richiede la comprensione di un sistema dinamico che si estende dal Sole fino alla nostra atmosfera superiore, un sistema che può essere compreso solo attingendo a una vasta gamma di missioni sparse nello spazio.