Les éruptions solaires sont de violentes explosions sur le soleil qui projettent des particules chargées de haute énergie, parfois vers la Terre, où ils perturbent les communications et mettent en danger les satellites et les astronautes.

Mais comme les scientifiques l'ont découvert en 1996, les éruptions peuvent également créer une activité sismique—des séismes—libérant des ondes acoustiques impulsives qui pénètrent profondément à l'intérieur du soleil.

Alors que la relation entre les éruptions solaires et les séismes est encore un mystère, de nouvelles découvertes suggèrent que ces "transitoires acoustiques" - et les ondulations de surface qu'ils génèrent - peuvent nous en dire beaucoup sur les éruptions et peuvent un jour nous aider à prévoir leur taille et leur gravité.

Une équipe de physiciens des États-Unis, La Colombie et l'Australie ont découvert qu'une partie de l'énergie acoustique libérée par une éruption en 2011 émanait d'environ 1, 000 kilomètres sous la surface solaire—la photosphère—et, Donc, loin sous l'éruption solaire qui a déclenché le séisme.

Les résultats, publié le 21 septembre dans The Lettres de revues astrophysiques , proviennent d'une technique de diagnostic appelée holographie héliosismique, introduit à la fin des années 1900 par la scientifique française Françoise Roddier et largement développé par les scientifiques américains Charles Lindsey et Douglas Braun, maintenant chez NorthWest Research Associates à Boulder, Colorado, et co-auteurs de l'article.

L'holographie héliosismique permet aux scientifiques d'analyser les ondes acoustiques déclenchées par les éruptions pour sonder leurs sources, tout comme les ondes sismiques des méga-séismes sur Terre permettent aux sismologues de localiser leurs épicentres. La technique a été appliquée pour la première fois aux transitoires acoustiques émises par les éruptions par un étudiant diplômé en Roumanie, Alina-Catalina Donea, sous la supervision de Lindsey et Braun. Donea est maintenant à l'Université Monash à Melbourne, Australie.

"C'est le premier diagnostic héliosismique spécifiquement conçu pour discriminer directement les profondeurs des sources qu'il reconstruit, ainsi que leurs emplacements horizontaux, " a déclaré Braun.

"Nous ne pouvons pas voir l'intérieur du soleil directement. Il est opaque aux photons qui nous montrent l'atmosphère extérieure du soleil, d'où ils peuvent s'échapper pour atteindre nos télescopes, " a déclaré le co-auteur Juan Camilo Buitrago-Casas, une université de Californie, Berkeley, doctorant en physique de Colombie. "La façon dont nous pouvons savoir ce qui se passe à l'intérieur du soleil est via les ondes sismiques qui font des ondulations sur la surface solaire similaires à celles causées par les tremblements de terre sur notre planète. Une grosse explosion, comme une fusée éclairante, peut injecter une puissante impulsion acoustique dans le soleil, dont nous pouvons utiliser la signature ultérieure pour cartographier sa source de manière assez détaillée. Le grand message de cet article est que la source d'au moins une partie de ce bruit est profondément immergée. Nous rapportons la source d'ondes acoustiques la plus profonde connue à ce jour dans le soleil."

Comment les séismes produisent des ondulations à la surface du soleil

Les explosions acoustiques qui provoquent des séismes dans certaines éruptions irradient des ondes acoustiques dans toutes les directions, principalement vers le bas. Alors que les vagues descendantes se déplacent à travers des régions de température toujours croissante, leurs chemins sont courbés par la réfraction, remonter finalement à la surface, où ils créent des ondulations comme celles qu'on voit après avoir jeté un caillou dans un étang. Le temps entre l'explosion et l'arrivée des ondulations est d'environ 20 minutes.

"Les ondulations, alors, ne sont pas qu'un phénomène de surface, mais la signature de surface des vagues qui ont pénétré profondément sous la région active puis remonté vers la surface périphérique dans l'heure suivante, " a déclaré Lindsey. L'analyse des ondulations de surface peut identifier la source de l'explosion.

"Il a été largement supposé que les ondes libérées par les éruptions acoustiquement actives sont injectées dans l'intérieur solaire par le haut. Ce que nous trouvons, c'est la forte indication qu'une partie de la source est bien en dessous de la photosphère, " a déclaré Juan Carlos Martínez Oliveros, chercheur en physique solaire au Laboratoire des sciences spatiales de l'UC Berkeley et originaire de Colombie. "Il semble que les fusées éclairantes soient le précurseur, ou déclencher, du transitoire acoustique libéré. Il se passe quelque chose d'autre à l'intérieur du soleil qui génère au moins une partie des ondes sismiques."

« En utilisant une analogie avec la médecine, ce que nous (les physiciens solaires) faisions avant, c'est comme utiliser des rayons X pour regarder un instantané de l'intérieur du soleil. Maintenant, nous essayons de faire un tomodensitogramme, pour visualiser l'intérieur solaire en trois dimensions, " a ajouté Martínez Oliveros.

Les Colombiens, dont les étudiants Ángel Martínez et Valeria Quintero Ortega à l'Universidad Nacional de Colombia, à Bogota, sont co-auteurs de l'article ApJ Letters avec leur superviseur, Benjamin Calvo-Mozo, professeur agrégé d'astronomie.

"Nous connaissons les ondes acoustiques des flares depuis un peu plus de 20 ans maintenant, et nous imaginons leurs sources horizontalement depuis ce temps. Mais nous n'avons découvert que récemment que certaines de ces sources sont submergées sous la surface solaire, " a déclaré Lindsey. " Cela peut aider à expliquer un grand mystère :certaines de ces ondes acoustiques ont émané d'emplacements dépourvus de perturbations de surface locales que nous pouvons voir directement dans le rayonnement électromagnétique. On se demande depuis longtemps comment cela peut arriver."

Un soleil sismiquement actif

Depuis plus de 50 ans, les astronomes savent que le soleil réverbère avec des ondes sismiques, un peu comme la Terre et son bourdonnement constant d'activité sismique. Cette activité, qui peut être détecté par le décalage Doppler de la lumière émanant de la surface, est censé être entraîné par des orages convectifs qui forment un patchwork de granules de la taille du Texas, couvrant la surface du soleil et grondant continuellement.

Au milieu de ce bruit de fond, les régions magnétiques peuvent déclencher de violentes explosions libérant des vagues qui font les ondulations spectaculaires qui apparaissent ensuite à la surface du soleil dans l'heure suivante, découvert il y a 24 ans par les astronomes Valentina Zharkova et Alexander Kosovichev.

Comme plus de tremblements de soleil ont été découverts, la sismologie des flares s'est épanouie, de même que les techniques pour explorer leur mécanique et leur relation possible avec l'architecture du flux magnétique sous-jacent aux régions actives.

Parmi les questions ouvertes :Quelles éruptions produisent et ne produisent pas de séismes ? Les séismes peuvent-ils se produire sans éruption ? Pourquoi les séismes émanent-ils principalement des bords des taches solaires, ou pénombre ? Les éruptions les plus faibles produisent-elles des tremblements de terre ? Quelle est la limite inférieure ?

Jusqu'à maintenant, la plupart des éruptions solaires ont été étudiées de manière ponctuelle, depuis de fortes poussées, même pendant les périodes d'activité solaire maximale, peut se produire que quelques fois par an. L'accent initial était mis sur le plus grand, ou classe X, fusées éclairantes, classés selon l'intensité des rayons X mous qu'ils émettent. Buitrago-Casas, qui a obtenu sa licence et sa maîtrise à l'Universidad Nacional de Colombia, s'est associé à Lindsey et Martínez Oliveros pour mener une enquête systématique sur les éruptions solaires relativement faibles afin d'augmenter leur base de données, pour une meilleure compréhension de la mécanique des séismes.

Sur les 75 fusées éclairantes capturées entre 2010 et 2015 par le satellite RHESSI, un satellite à rayons X de la NASA conçu, construit et exploité par le Laboratoire des sciences spatiales et retiré en 2018-18 a produit des tremblements de terre. L'un des transitoires acoustiques de Buitrago-Casas, celui largué par l'éclair du 30 juillet, 2011, a attiré l'attention des étudiants de premier cycle Martínez, maintenant étudiant diplômé, et Quintero Ortega.

« Nous avons donné à nos étudiants collaborateurs de l'Université nationale la liste des fusées éclairantes de notre enquête. Ils ont été les premiers à dire :'Regarder celui-ci. C'est différent! Qu'est-ce qui s'est passé ici ? » », a déclaré Buitrago-Casas. « Et ainsi, nous avons découvert. C'était super excitant !"

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, issue of The Lettres de revues astrophysiques . 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, du tout.

"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, possibly, what kinds of flares—it might produce. This is a long shot, but well worth looking into."