Forscher entdecken mysteriöse Quelle von „herzschlagähnlichen“ Funkstößen in einem Solartarif

Laut einer neuen Studie wurde in der Sonnenatmosphäre ein Sonnenfunkausbruch mit einem Signalmuster, das dem eines Herzschlags ähnelt, lokalisiert.

Bei Befunden veröffentlicht im Tagebuch Naturkommunikationhat ein internationales Forscherteam berichtet, dass es den Quellort eines Funksignals entdeckt hat, das aus einer Sonneneruption der C-Klasse stammt, mehr als 5.000 Kilometer über der Sonnenoberfläche.

Forscher sagen, dass die Ergebnisse der Studie Wissenschaftlern helfen könnten, die physikalischen Prozesse hinter der Energiefreisetzung von Sonneneruptionen – den stärksten Explosionen des Sonnensystems – besser zu verstehen.

„Die Entdeckung ist unerwartet“, sagte Sijie Yu, der korrespondierende Autor der Studie und Astronom, der dem Center for Solar-Terrestrial Research des NJIT angehört. „Dieses Schlagmuster ist wichtig, um zu verstehen, wie während dieser unglaublich starken Explosionen auf der Sonne Energie freigesetzt und in der Sonnenatmosphäre zerstreut wird. Der Ursprung dieser sich wiederholenden Muster, auch quasi-periodische Pulsationen genannt, war jedoch lange Zeit ein Rätsel und eine Quelle der Debatte unter Sonnenphysikern.“

Solar Radio Bursts sind intensive Ausbrüche von Radiowellen von der Sonne, die oft mit Sonneneruptionen in Verbindung gebracht werden und bekanntermaßen Signale mit sich wiederholenden Mustern aufweisen.

Das Team konnte die Quelle dieser Mustersignale aufdecken, nachdem es Mikrowellenbeobachtungen eines Sonneneruptionsereignisses am 13. Juli 2017 untersucht hatte, das vom Radioteleskop des NJIT namens Expanded Owens Valley Solar Array (EOVSA) aufgenommen wurde, das sich bei Owens Valley Radio befindet Observatorium (OVRO), in der Nähe von Big Pine, Kalifornien.

EOVSA beobachtet die Sonne routinemäßig in einem weiten Bereich von Mikrowellenfrequenzen über 1 bis 18 Gigahertz (GHz) und reagiert empfindlich auf Radiostrahlung, die von hochenergetischen Elektronen in der Sonnenatmosphäre emittiert wird, die in Sonneneruptionen angeregt werden.

Aus den Beobachtungen der EOVSA über die Flare ergab das Team Funkausbrüche mit einem Signalmuster, das sich alle 10 bis 20 Sekunden wiederholt, „wie ein Herzschlag“, so der Hauptautor der Studie, Yuankun Kou, ein Ph.D. Student an der Universität Nanjing (NJU).

Das Team identifizierte ein starkes quasi-periodisches Pulsationssignal (QPP) an der Basis der elektrischen Stromschicht, die sich über mehr als 25.000 Kilometer durch die Kernregion der Eruption erstreckt, wo sich entgegengesetzte Magnetfeldlinien nähern, brechen und sich wieder verbinden, wodurch eine intensive Energie erzeugt wird, die die Eruption antreibt aufflackern.

Aber überraschenderweise sagt Kou, dass sie einen zweiten Herzschlag in der Flare entdeckt haben.

„Die sich wiederholenden Muster sind bei Solarfunkstößen nicht ungewöhnlich“, sagte Kou. „Interessanterweise gibt es eine sekundäre Quelle, die wir nicht erwartet hatten und die sich entlang der gestreckten Stromschicht befindet und auf ähnliche Weise pulsiert wie die QPP-Hauptquelle.“

„Die Signale stammen wahrscheinlich von quasi-repetitiven magnetischen Wiederverbindungen an der Fackelstromschicht“, fügte Yu hinzu. „Dies ist das erste Mal, dass ein quasi-periodisches Funksignal in der Wiederverbindungsregion erkannt wurde. Diese Erkennung kann uns dabei helfen, festzustellen, welche der beiden Quellen die andere verursacht hat.“

Unter Verwendung der einzigartigen Mikrowellen-Bildgebungsfähigkeiten von EOVSA war das Team in der Lage, das Energiespektrum von Elektronen an den beiden Radioquellen in diesem Ereignis zu messen.

„Die spektrale Bildgebung von EOVSA lieferte uns neue räumlich und zeitlich aufgelöste Diagnosen der nichtthermischen Elektronen der Fackel. … Wir fanden heraus, dass die Verteilung der hochenergetischen Elektronen in der QPP-Hauptquelle in der Phase mit der der sekundären QPP-Quelle im elektronischen Stromblatt variiert.“ sagte Bin Chen, außerordentlicher Professor für Physik am NJIT und Mitautor der Abhandlung. „Dies ist ein starker Hinweis darauf, dass die beiden QPP-Quellen eng miteinander verbunden sind.“

Die Teammitglieder setzten ihre Untersuchung fort und kombinierten die numerische 2,5-D-Modellierung der Sonneneruption unter der Leitung des anderen korrespondierenden Autors der Arbeit und Professor für Astronomie Xin Cheng an der NJU mit Beobachtungen der weichen Röntgenstrahlung der Sonneneruptionen, die von NOAAs beobachtet wurden GOES-Satellit, der die weichen Röntgenflüsse aus der Sonnenatmosphäre in zwei verschiedenen Energiebändern misst.

„Wir wollten wissen, wie die Periodizität im aktuellen Blatt auftritt“, sagte Cheng. „Was ist der physikalische Prozess, der die Periodizität antreibt, und wie hängt er mit der Bildung der QPPs zusammen?“

Die Analyse des Teams zeigte, dass es magnetische Inseln oder blasenartige Strukturen gibt, die sich in der Stromschicht bilden und sich quasi periodisch in Richtung der aufflackernden Region bewegen.

„Das Auftreten magnetischer Inseln innerhalb der langgestreckten Stromschicht spielt eine Schlüsselrolle bei der Optimierung der Energiefreisetzungsrate während dieser Eruption“, erklärte Cheng. „Ein solcher quasi-periodischer Energiefreisetzungsprozess führt zu einer wiederholten Produktion hochenergetischer Elektronen, die sich als QPPs im Mikrowellen- und im weichen Röntgenbereich manifestieren.“

Letztendlich, sagt Yu, werfen die Ergebnisse der Studie ein neues Licht auf ein wichtiges Phänomen, das dem Wiederverbindungsprozess zugrunde liegt, der diese explosiven Ereignisse antreibt.

„Wir haben endlich den Ursprung von QPPs in Sonneneruptionen als Ergebnis der periodischen Wiederverbindung in der Flare-Stromschicht lokalisiert. … Diese Studie veranlasst eine erneute Überprüfung der Interpretationen zuvor gemeldeter QPP-Ereignisse und ihrer Auswirkungen auf Sonneneruptionen.“

Weitere Co-Autoren der Veröffentlichung sind die NJU-Forscher Yulei Wang und Mingde Ding sowie Eduard P. Kontar von der University of Glasgow. Diese Forschung wurde durch Zuschüsse der National Science Foundation unterstützt.