I brillamenti solari sono esplosioni violente sul sole che emettono particelle cariche ad alta energia, a volte verso la Terra, dove interrompono le comunicazioni e mettono in pericolo satelliti e astronauti.

Ma come hanno scoperto gli scienziati nel 1996, i brillamenti possono anche creare attività sismica, i terremoti, rilasciando onde acustiche impulsive che penetrano in profondità all'interno del sole.

Mentre la relazione tra brillamenti solari e terremoti è ancora un mistero, nuove scoperte suggeriscono che questi "transitori acustici" - e le increspature superficiali che generano - possono dirci molto sui brillamenti e un giorno potrebbero aiutarci a prevederne le dimensioni e la gravità.

Un team di fisici dagli Stati Uniti, La Colombia e l'Australia hanno scoperto che parte dell'energia acustica rilasciata da un bagliore nel 2011 proveniva da circa 1, 000 chilometri sotto la superficie solare, la fotosfera, e, così, molto al di sotto del brillamento solare che ha innescato il terremoto.

I risultati, pubblicato il 21 settembre su The Lettere per riviste astrofisiche , provengono da una tecnica diagnostica chiamata olografia eliosismica, introdotto alla fine del 1900 dallo scienziato francese Françoise Roddier e ampiamente sviluppato dagli scienziati statunitensi Charles Lindsey e Douglas Braun, ora alla NorthWest Research Associates di Boulder, Colorado, e coautori del paper.

L'olografia eliosismica consente agli scienziati di analizzare le onde acustiche innescate dai brillamenti per sondarne le sorgenti, proprio come le onde sismiche dei megaterremoti sulla Terra consentono ai sismologi di localizzare i loro epicentri. La tecnica è stata applicata per la prima volta ai transitori acustici rilasciati dai bagliori da uno studente laureato in Romania, Alina-Catalina Donea, sotto la supervisione di Lindsey e Braun. Donea è ora alla Monash University di Melbourne, Australia.

"E' la prima diagnostica eliosismica studiata appositamente per discriminare direttamente le profondità delle sorgenti che ricostruisce, così come le loro posizioni orizzontali, " ha detto Braun.

"Non possiamo vedere direttamente l'interno del sole. È opaco ai fotoni che ci mostrano l'atmosfera esterna del sole, da dove possono fuggire per raggiungere i nostri telescopi, " ha detto il coautore Juan Camilo Buitrago-Casas, un'università della California, Berkeley, studente di dottorato in fisica dalla Colombia. "Il modo in cui possiamo sapere cosa succede all'interno del sole è tramite onde sismiche che creano increspature sulla superficie solare simili a quelle causate dai terremoti sul nostro pianeta. Una grande esplosione, come un bagliore, può iniettare un potente impulso acustico nel sole, la cui firma successiva possiamo usare per mappare la sua fonte in dettaglio. Il grande messaggio di questo articolo è che la fonte di almeno una parte di questo rumore è profondamente sommersa. Stiamo segnalando la fonte più profonda di onde acustiche finora conosciuta nel sole".

Come i terremoti producono increspature sulla superficie del sole

Le esplosioni acustiche che causano i terremoti in alcuni brillamenti irradiano onde acustiche in tutte le direzioni, principalmente verso il basso. Mentre le onde discendenti si muovono attraverso regioni di temperatura sempre crescente, i loro percorsi sono piegati dalla rifrazione, alla fine tornando in superficie, dove creano increspature come quelle che si vedono dopo aver lanciato un sassolino in uno stagno. Il tempo tra l'esplosione e l'arrivo delle increspature è di circa 20 minuti.

"Le onde, poi, non sono solo un fenomeno di superficie, ma la firma superficiale delle onde che sono andate in profondità al di sotto della regione attiva e poi sono tornate alla superficie esterna nell'ora successiva, "Ha detto Lindsey. Analizzando le increspature della superficie è possibile individuare la fonte dell'esplosione.

"È stato ampiamente supposto che le onde rilasciate dai brillamenti acusticamente attivi vengano iniettate nell'interno solare dall'alto. Quello che stiamo trovando è la forte indicazione che parte della sorgente è molto al di sotto della fotosfera, " ha detto Juan Carlos Martínez Oliveros, un ricercatore di fisica solare presso lo Space Sciences Laboratory della UC Berkeley e nativo della Colombia. "Sembra che i razzi siano il precursore, o innescare, del transitorio acustico rilasciato. C'è qualcos'altro che sta accadendo all'interno del sole che sta generando almeno una parte delle onde sismiche".

"Usando un'analogia con la medicina, quello che noi (fisici solari) stavamo facendo prima è come usare i raggi X per guardare un'istantanea dell'interno del sole. Ora, stiamo provando a fare una TAC, per vedere l'interno solare in tre dimensioni, " ha aggiunto Martínez Oliveros.

I colombiani, tra cui gli studenti Ángel Martínez e Valeria Quintero Ortega dell'Universidad Nacional de Colombia, a Bogotà, sono coautori del paper ApJ Letters con il loro supervisore, Benjamin Calvo-Mozo, professore associato di astronomia.

"Sappiamo delle onde acustiche dei brillamenti da poco più di 20 anni, ormai, e da quel momento immaginiamo le loro fonti orizzontalmente. Ma abbiamo scoperto solo di recente che alcune di queste sorgenti sono sommerse sotto la superficie solare, " ha detto Lindsey. "Questo può aiutare a spiegare un grande mistero:alcune di queste onde acustiche sono state emanate da luoghi privi di disturbi superficiali locali che possiamo vedere direttamente nella radiazione elettromagnetica. Ci siamo chiesti a lungo come ciò possa accadere".

Un sole sismicamente attivo

Da più di 50 anni, gli astronomi hanno saputo che il sole riverbera con onde sismiche, proprio come la Terra e il suo costante ronzio di attività sismica. Questa attività, che può essere rilevato dallo spostamento Doppler della luce proveniente dalla superficie, si ritiene che sia guidato da tempeste convettive che formano un mosaico di granuli delle dimensioni del Texas, coprendo la superficie del sole e rimbombando continuamente.

In mezzo a questo rumore di fondo, le regioni magnetiche possono scatenare violente esplosioni liberando onde che creano le spettacolari increspature che poi compaiono sulla superficie del sole nell'ora successiva, come scoperto 24 anni fa dagli astronomi Valentina Zharkova e Alexander Kosovichev.

Poiché più terremoti sono stati scoperti, la sismologia dei flare è sbocciata, così come le tecniche per esplorare la loro meccanica e la loro possibile relazione con l'architettura del flusso magnetico sottostante le regioni attive.

Tra le domande aperte:quali brillamenti producono e non producono terremoti? I terremoti possono verificarsi senza un flare? Perché i terremoti provengono principalmente dai bordi delle macchie solari, o penombra? I brillamenti più deboli producono terremoti? Qual è il limite inferiore?

Fino ad ora, la maggior parte dei brillamenti solari è stata studiata come una tantum, poiché forti bagliori, anche durante i periodi di massima attività solare, può verificarsi solo poche volte all'anno. Il focus iniziale era sul più grande, o di classe X, razzi, classificati in base all'intensità dei raggi X molli che emettono. Buitrago-Casas, che ha conseguito la laurea e il master presso l'Universidad Nacional de Colombia, ha collaborato con Lindsey e Martínez Oliveros per condurre un'indagine sistematica sui brillamenti solari relativamente deboli per aumentare il loro database, per una migliore comprensione della meccanica dei terremoti.

Dei 75 brillamenti catturati tra il 2010 e il 2015 dal satellite RESSI, un satellite a raggi X della NASA progettato, costruito e gestito dallo Space Sciences Laboratory e ritirato nel 2018-18 ha prodotto terremoti. Uno dei transitori acustici di Buitrago-Casas, quello rilasciato dal bagliore del 30 luglio, 2011, catturato l'attenzione degli studenti universitari Martínez, ora uno studente laureato, e Quintero Ortega.

"Abbiamo fornito ai nostri studenti collaboratori presso l'Università Nazionale l'elenco dei razzi dalla nostra indagine. Sono stati i primi a dire, 'Guarda questo. È diverso! Che cosa è successo qui?'", ha detto Buitrago-Casas. "E così, abbiamo scoperto. È stato super emozionante!"

Martínez and Quintero Ortega are the first authors on a paper describing the extreme impulsivity of the waves released by that flare of July 30, 2011, that appeared in the May 20, 2020, questione di The Lettere per riviste astrofisiche . These waves had spectral components that gave the researchers unprecedented spatial resolution of their source distributions.

Thanks to superb data from NASA's Solar Dynamics Observatory satellite, the team was able to pinpoint the source of the explosion that generated the seismic waves 1, 000 kilometers below the photosphere. This is shallow, relative to the sun's radius of nearly 700, 000 kilometers, but deeper than any previously known acoustic source in the sun.

A source submerged below the sun's photosphere with its own morphology and no conspicuous directly overlying disturbance in the outer atmosphere suggests that the mechanism that drives the acoustic transient is itself submerged.

"It may work by triggering a compact explosion with its own energy source, like a remotely triggered earthquake, " Lindsey said. "The flare above shakes something beneath the surface, and then a very compact unit of submerged energy gets released as acoustic sound, " he said. "There is no doubt that the flare is involved, it's just that the existence of this deep compact source suggests the possibility of a separate, distinctive, compact, submerged energy source driving the emission."

About half of the medium-sized solar flares that Buitrago-Casas and Martínez Oliveros have catalogued have been associated with sunquakes, showing that they commonly occur together. The team has since found other submerged sources associated with even weaker flares.

The discovery of submerged acoustic sources opens the question of whether there are instances of acoustic transients being released spontaneously, with no surface disturbance, or no flare, affatto.

"If sunquakes can be generated spontaneously in the sun, this might lead us to a forecasting tool, if the transient can come from magnetic flux that has yet to break the sun's surface, " Martínez Oliveros said. "We could then anticipate the inevitable subsequent emergence of that magnetic flux. We may even forecast some details about how large an active region is about to appear and what type—even, possibilmente, what kinds of flares—it might produce. This is a long shot, but well worth looking into."