Naukowcy badający gwiazdy podobne do Słońca oraz dowody historyczne pochodzące z słojów drzew i lodu lodowcowego sugerują, że ekstremalne zdarzenia słoneczne, w tym superrozbłyski, zdarzają się częściej, niż wcześniej sądzono.
Odkrycia te, pochodzące z danych tysięcy gwiazd obserwowanych przez Keplera, wskazują, że gwałtowne burze słoneczne są regularną częścią aktywności Słońca, co podkreśla konieczność skutecznego prognozowania pogody kosmicznej i środków ochronnych dla ziemskiej infrastruktury technologicznej.
Nieprzewidywalne zachowanie Słońca
Słońce jest gwiazdą lotną, czego dowodem są niezwykle intensywne burze słoneczne, które miały miejsce w tym roku, podczas których wytworzyły się oszałamiające zorze polarne nawet na niższych szerokościach geograficznych. Ale czy nasza gwiazda mogłaby stać się jeszcze bardziej ekstremalna? Wskazówki dotyczące najbardziej gwałtownych wybuchów słonecznych zachowały się w starożytnych słojach drzew i lodzie lodowcowym sprzed tysięcy lat. Jednakże te zapisy naturalne dostarczają jedynie dowodów pośrednich, co utrudnia określenie, jak często takie zdarzenia mają miejsce. Bezpośrednie pomiary promieniowania słonecznego były możliwe dopiero od początku ery kosmicznej.
Aby lepiej zrozumieć długoterminowe zachowanie Słońca, naukowcy skierowali swoje spojrzenie na gwiazdy. Nowoczesne teleskopy kosmiczne monitorują tysiące gwiazd, śledząc zmiany ich jasności w czasie. Superrozbłyski, które uwalniają ponad jeden oktylion dżuli energii w krótkim wybuchu, w tych obserwacjach pojawiają się jako ostre impulsy.
„Nie możemy obserwować Słońca przez tysiące lat” – profesor dr Sami Solanki, dyrektor MPS i współautor, wyjaśnił podstawową ideę badania. „Zamiast tego możemy monitorować zachowanie tysięcy gwiazd bardzo podobnych do Słońca w krótkich okresach czasu. Pomaga nam to oszacować częstotliwość występowania superrozbłysków” – dodaje.
Analizowanie krewnych słonecznych
W bieżącym badaniu zespół składający się z naukowców z Uniwersytetu w Grazu (Austria), Uniwersytetu w Oulu (Finlandia), Narodowego Obserwatorium Astronomicznego Japonii, Uniwersytetu Colorado Boulder (USA) oraz Komisariatu ds. Energii Atomowej i Alternatywnych Paris-Saclay i Uniwersytet Paris-Cité przeanalizowali dane z 56 450 gwiazd podobnych do Słońca widzianych przez NASAkosmicznego teleskopu Kepler w latach 2009–2013. „W całości dane Keplera dostarczają nam dowodów na 220 000 lat aktywności gwiazd” – powiedział prof. dr Alexander Shapiro z Uniwersytetu w Grazu.
Kluczowe znaczenie dla badania miał staranny dobór gwiazd, które miały zostać wzięte pod uwagę. Przecież wybrane gwiazdy powinny być szczególnie bliskimi „krewnymi” Słońca. Dlatego naukowcy dopuścili do obserwacji jedynie gwiazdy, których temperatura powierzchni i jasność były podobne do Słońca. Naukowcy wykluczyli także liczne źródła błędów, takie jak promieniowanie kosmiczne, przelatujące asteroidy czy komety, a także gwiazdy inne niż Słońce, które na zdjęciach Keplera mogą przez przypadek rozbłysnąć w pobliżu gwiazdy podobnej do Słońca. Aby tego dokonać, zespół dokładnie przeanalizował obrazy każdego potencjalnego superrozbłysku – o rozmiarze zaledwie kilku pikseli – i policzył tylko te zdarzenia, które można było wiarygodnie przypisać do jednej z wybranych gwiazd.
Spostrzeżenia z superrozbłysków gwiazdowych
W ten sposób badacze zidentyfikowali 2889 superrozbłysków na 2527 z 56450 obserwowanych gwiazd. Oznacza to, że średnio jedna gwiazda podobna do Słońca wytwarza superrozbłysk mniej więcej raz na stulecie.
„Wysokowydajne obliczenia na dynamo tych gwiazd typu słonecznego z łatwością wyjaśniają magnetyczne pochodzenie intensywnego uwalniania energii podczas takich superrozbłysków” – powiedział współautor dr Allan Sacha Brun z Komisariatu Energii Atomowej i Alternatywnej w Paris-Saclay i Uniwersytetu im. Paryż-Cité.
Zaskakująco częste
„Byliśmy bardzo zaskoczeni, że gwiazdy podobne do Słońca są podatne na tak częste superrozbłyski” – powiedział pierwszy autor, dr Walerij Wasiljew z MPS. Wcześniejsze badania innych grup badawczych wykazały, że średnie odstępy czasu wynoszą tysiąc, a nawet dziesięć tysięcy lat. Jednak wcześniejsze badania nie były w stanie określić dokładnego źródła obserwowanego rozbłysku i dlatego musiały ograniczyć się do gwiazd, które na zdjęciach teleskopowych nie miały zbyt bliskich sąsiadów. Obecne badanie jest najbardziej precyzyjne i czułe z dotychczasowych.
Badania poszukujące dowodów na gwałtowne burze słoneczne uderzające w Ziemię sugerują również dłuższe średnie odstępy czasu między ekstremalnymi zdarzeniami słonecznymi. Kiedy szczególnie duży strumień energetycznych cząstek ze Słońca dociera do atmosfery ziemskiej, wytwarzają one wykrywalną ilość radioaktywnych atomów, takich jak radioaktywny izotop węgla 14C. Atomy te są następnie odkładane w naturalnych archiwach, takich jak słoje drzew i lód lodowcowy. Nawet tysiące lat później nagły napływ wysokoenergetycznych cząstek słonecznych można zatem wywnioskować, mierząc ilość 14C przy użyciu nowoczesnych technologii.
W ten sposób naukowcom udało się zidentyfikować pięć ekstremalnych zdarzeń związanych z cząsteczkami słonecznymi i trzech kandydatów w ciągu ostatnich dwunastu tysięcy lat holocenu, co dało średnią częstotliwość występowania raz na 1500 lat. Uważa się, że najbardziej brutalny miał miejsce w roku 775 n.e. Jednakże jest całkiem możliwe, że w przeszłości na Słońcu miało miejsce więcej takich gwałtownych zdarzeń cząsteczkowych, a także więcej superrozbłysków. „Nie jest jasne, czy gigantycznym rozbłyskom zawsze towarzyszą koronalne wyrzuty masy i jaki jest związek między superrozbłyskami a ekstremalnymi zdarzeniami dotyczącymi cząstek słonecznych. Wymaga to dalszych badań” – zauważyła współautorka prof. dr Ilya Usoskin z Uniwersytetu w Oulu w Finlandii. Dlatego też przyglądanie się ziemskim dowodom ekstremalnych wydarzeń słonecznych w przeszłości mogłoby prowadzić do niedoszacowania częstotliwości superrozbłysków.
Prognozowanie niebezpiecznej pogody kosmicznej
Nowe badanie nie ujawnia, kiedy Słońce dokona kolejnego ataku. Wyniki jednak zalecają ostrożność. „Nowe dane wyraźnie przypominają, że nawet najbardziej ekstremalne zdarzenia słoneczne stanowią część naturalnego repertuaru Słońca” – powiedziała współautorka dr Natalie Krivova z MPS. Podczas wydarzenia w Carrington w 1859 r., jednej z najgwałtowniejszych burz słonecznych w ciągu ostatnich 200 lat, sieć telegraficzna zawaliła się w dużej części północnej Europy i Ameryki Północnej. Według szacunków towarzyszący mu rozbłysk wyzwolił jedynie jedną setną energii superrozbłysku. Dziś oprócz infrastruktury na powierzchni Ziemi zagrożone byłyby zwłaszcza satelity.
Najważniejszym przygotowaniem na silne burze słoneczne jest zatem rzetelne i terminowe prognozowanie. Jako środek ostrożności można na przykład wyłączyć satelity. Od 2031 r. w prognozowaniu pomoże sonda kosmiczna Vigil należąca do ESA. Ze swojej pozycji obserwacyjnej w przestrzeni kosmicznej będzie patrzeć na Słońce z boku i szybciej niż sondy naziemne zauważy, kiedy na naszej gwieździe zachodzą procesy, które mogą napędzać niebezpieczną pogodę kosmiczną. MPS pracuje obecnie nad kamerą polarymetryczną i magnetyczną na potrzeby tej misji.
Odniesienie: „Gwiazdy podobne do Słońca wytwarzają superrozbłyski mniej więcej raz na stulecie” autorstwa Walerija Wasiljewa, Timo Reinholda, Aleksandra I. Shapiro, Ilyi Usoskin, Natalie A. Krivova, Hiroyuki Maehara, Yuta Notsu, Allan Sacha Brun, Sami K. Solanki i Laurent Gizon, 12 grudnia 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adl5441
