Studies of solar and stellar flares using multi-instrument data

Abstract

Solar flares were first observed by plain eye in white light by William Carrington in England in 1859. Since then these eruptions in the solar corona have intrigued scientists. It is known that flares influence the space weather experienced by the planets in a multitude of ways, for example by causing aurora borealis. Understanding flares is at the epicentre of human survival in space, as astronauts cannot survive the highly energetic particles associated with large flares in high doses without contracting serious radiation disease symptoms, unless they shield themselves effectively during space missions. Flares may be at the epicentre of man s survival in the past as well: it has been suggested that giant flares might have played a role in exterminating many of the large species on Earth, including dinosaurs. Having said that prebiotic synthesis studies have shown lightning to be a decisive requirement for amino acid synthesis on the primordial Earth. Increased lightning activity could be attributed to space weather, and flares.

This thesis studies flares in two ways: in the spectral and the spatial domain. We have extracted solar spectra using three different instruments, namely GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite), RHESSI (Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager) and XSM (X-ray Solar Monitor) for the same flares. The GOES spectra are low resolution obtained with a gas proportional counter, the RHESSI spectra are higher resolution obtained with Germanium detectors and the XSM spectra are very high resolution observed with a silicon detector. It turns out that the detector technology and response influence the spectra we see substantially, and are important to understanding what conclusions to draw from the data. With imaging data, there was not such a luxury of choice available. We used RHESSI imaging data to observe the spatial size of solar flares.

In the present work the focus was primarily on current solar flares. However, we did make use of our improved understanding of solar flares to observe young suns in NGC 2547. The same techniques used with solar monitors were applied with XMM-Newton, a stellar X-ray monitor, and coupled with ground based Halpha observations these techniques yielded estimates for flare parameters in young suns.

The material in this thesis is therefore structured from technology to application, covering the full processing path from raw data and detector responses to concrete physical parameter results, such as the first measurement of the length of plasma flare loops in young suns.

Auringon roihupurkaukset havaittiin ensin valkoisessa valossa paljaalla silmällä William Carringtonin toimesta Englannissa 1859. Siitä lähtien nämä auringon koronan purkaukset ovat kiinnostaneet tiedemiehiä. Tiedetään mm. että roihupurkaukset vaikuttavat planeettojen kokemaan avaruussäähän monella tavalla, esimerkiksi aiheuttamalla revontulia. Roihupurkausten ymmärtäminen on keskeistä myös ihmisen selviytymiselle avaruudessa, sillä astronautit eivät pysty selviytymään suurista annoksista korkeaenergisiä hiukkasia ilman vakavaa sairastumista säteilytauteihin, ellei heitä ole asianmukaisesti suojattu. Roihupurkaukset voivat olla myös ihmisen selviytymisen keskiössä: On väitetty muunmuassa että suuret roihupurkaukset olisivat voineet olla osallisia dinosaurusten ja muiden suurien lajien massatuhoon. Niinikään prebioottisen synteesin vahvistavat kokeet ovat osoittaneet salamoinnin olleen tärkeä vaatimus aminohappo synteesille primordiaalisessa maassa. Salamoinnin korkea taso olisi selitettävissä avaruussäällä, ja roihupurkauksilla.

Tämä väitöskirja tutkii roihupurkauksia kahdella tavalla: spektri- ja spatiaaliulottuvuudessa. Olemme havainneet auringon spektrejä kolmella eri instrumentilla, nimittäin GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite), RHESSI (Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager) ja XSM (X-ray Solar Monitor) -instrumenteilla. GOES spektrit ovat matalan resoluution spektrejä jotka on mitattu suhteellisella kaasumittarilla, RHESSI:n spektrit ovat korkeampaa resoluutiota ja ovat mitattu Germanium detektoreilla, ja XSM:n spektrit ovat erittäin korkealla resoluutiolla ja ovat mitattu piidetektorilla. Käy ilmi että detektorin teknologia ja vaste vaikuttavat näkemäämme spektriin oleellisesti, ja ovat tärkeitä johtopäätösten oikean ymmärtämisen kannalta. Kuvadatan osalta valinnanvara ei ole yhtä valtava. Käytimme RHESSI:n kuvadataa auringon roihupurkausten fyysisen koon määrittämiseksi.

Tässä työssä keskitymme pääasiassa auringon roihupurkauksiin. Käytimme kuitenkin parantunutta ymmärtämystämme auringon roihupurkauksista nuoren auringon havaitsemiseen NGC 2547 tähtijoukossa. Aurinkomonitorien kanssa sovellettuja tekniikoita käytettiin nyt XMM-Newtoniin, tähtien röntgenmonitoriin, ja nämä havainnot yhdistettiin maasta käsin tehtyihin vedyn alpha emission havaintoihin. Yhdessä näillä tekniikoilla määritimme roihupurkauksen parametrit nuorelle auringolle.

Tämä väitöskirja on siis rakennettu teknologiasta sovellukseen -filosofialla, käsittäen prosessointiketjun avaruudessa olevan detektorin elektronista konkreettiseen fysikaaliseen lopputulokseen. Yksi tälläinen lopputulos oli roihupurkauksen plasmasilmukan fyysisen pituuden mittaaminen nuoresta auringosta ensimmäistä kertaa maailmassa.