Gwiazdy podobne do Słońca wytwarzają gigantyczny wybuch promieniowania średnio raz na sto lat na gwiazdę. Takie superrozbłyski uwalniają więcej energii niż bilion bomb wodorowych i sprawiają, że wszystkie wcześniej zarejestrowane rozbłyski słoneczne bledną w porównaniu. Szacunki te opierają się na spisie 56450 gwiazd podobnych do Słońca, który międzynarodowy zespół badaczy kierowany przez Instytut Badań Układu Słonecznego im. Maxa Plancka (MPS) w Niemczech przedstawił w piątek 13 grudnia 2024 r. w czasopiśmie Science. Pokazuje, że poprzednie badania znacząco nie doceniały potencjału erupcyjnego tych gwiazd. Dane z kosmicznego teleskopu Kepler należącego do NASA wskazują, że superrozbłyskujące gwiazdy podobne do Słońca można znaleźć od dziesięciu do stu razy częściej, niż wcześniej zakładano. Słońce również jest prawdopodobnie zdolne do podobnie gwałtownych erupcji.
Nie ma wątpliwości, że Słońce jest gwiazdą pełną temperamentu, czego dowodem są wyjątkowo silne tegoroczne burze słoneczne. Niektóre z nich doprowadziły do powstania niezwykłych zórz polarnych nawet na niskich szerokościach geograficznych. Ale czy nasza gwiazda może stać się jeszcze bardziej wściekła? Dowody najbardziej gwałtownych „napadów złości” słonecznych można znaleźć w prehistorycznych pniach drzew i próbkach lodu lodowcowego sprzed tysiącleci. Jednak na podstawie tych pośrednich źródeł nie można określić częstotliwości superrozbłysków. Bezpośrednie pomiary ilości promieniowania docierającego do Ziemi ze Słońca były dostępne dopiero od początków ery kosmicznej.
Innym sposobem poznania długoterminowego zachowania naszego Słońca jest zwrócenie się ku gwiazdom, zgodnie z podejściem wynikającym z nowego badania. Nowoczesne teleskopy kosmiczne obserwują tysiące gwiazd i rejestrują wahania ich jasności w świetle widzialnym. Superbłyski, które w krótkim czasie uwalniają energię o wartości ponad jednego okbiliona dżuli, pokazują się w danych obserwacyjnych jako krótkie, wyraźne szczyty jasności. „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.
Poszukuję bliskich krewnych Słońca
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 56450 gwiazd podobnych do Słońca, widzianych przez należący do NASA kosmiczny teleskop Kepler pomiędzy 2009 i 2013. „W sumie 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. Wszakże 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.
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.
„Wysokosprawne 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 często
„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 to, że gwałtowne burze słoneczne uderzają 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 badaczom udało się zidentyfikować pięć ekstremalnych zdarzeń związanych z cząsteczkami słonecznymi i trzech kandydatów w ciągu ostatnich dwunastu tysięcy lat holocenu, co dało średnią częstość 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 związanymi z cząsteczkami słonecznymi. Wymaga to dalszych badań” – wskazuje współautorka prof. dr Ilya Usoskin z Uniwersytetu w Oulu w Finlandii na zewnątrz. Dlatego 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.