Dziesięcioletnia seria danych obserwacyjnych z sondy SDO (Obserwatorium Dynamiki Słonecznej, ang. Solar Dynamics Observatory) i nowoczesny model numeryczny ujawniły istnienie głębokich, niskich tonów w muzyce Słońca.
Zespół fizyków słonecznych kierowany przez Laurenta Gizona z Instytutu Badań Układu Słonecznego im. Maxa Plancka i Uniwersytetu w Getyndze w Niemczech informuje o odkryciu globalnych oscylacji Słońca o bardzo długich okresach, porównywalnych z 27-dniowym okresem jego rotacji, czyli obrotu Słońca wokół jego własnej osi. Tego rodzaju oscylacje objawiają się na powierzchni Słońca jako ruchy wirowe o prędkościach rzędu 5 kilometrów na godzinę. Ruchy te zostały niedawno dokładnie zmierzone po przeanalizowaniu 10-letnich już serii obserwacyjnych z Obserwatorium Dynamiki Słonecznej NASA.
Wspomagający się dodatkowo modelowaniem komputerowym zespół naukowy wykazał, że owe nowo odkryte oscylacje są modami rezonansowymi, które zawdzięczają swoje istnienie znanemu zjawisku różnicowej rotacji Słońca. Wiedza ta może pomóc w opracowaniu nowych sposobów pośredniego badania wnętrza Słońca i uzyskiwania informacji o jego strukturze i dynamice.
Jeszcze w latach sześćdziesiątych odkryto wysokie nuty (mody) Słońca: oznaczało to, że Słońce czasem „dzwoni” niczym dzwon. Miliony modów oscylacji akustycznych o krótkich okresach rzędu 5 minut wzbudzane są przez turbulentne ruchy konwekcyjne, zachodzące w pobliżu powierzchni Słońca i uwięzione w jego wnętrzu. Te około 5-minutowe oscylacje były nieprzerwanie obserwowane przez teleskopy naziemne i obserwatoria kosmiczne od połowy lat dziewięćdziesiątych Jednocześnie z powodzeniem wykorzystywane były one przez heliosejsmologów do poznawania wewnętrznej struktury i dynamiki naszej dziennej gwiazdy. W bardzo podobny sposób „klasyczni” sejsmolodzy zdobywają informacje o tym, co dzieje się we wnętrzu Ziemi, badając między innymi po prostu trzęsienia ziemi. Jednym z najważniejszych osiągnięć heliosejsmologii było odwzorowanie rotacji Słońca w funkcji głębokości i szerokości heliograficznej, prowadzące do lepszego zrozumienia procesu różnicowej rotacji Słońca.
Oprócz oscylacji 5-minutowych przewidziano już ponad 40 lat temu istnienie oscylacji gwiazdowych o znacznie dłuższych okresach, ale do tej pory nie zostały one zidentyfikowane dla Słońca. Takie długookresowe oscylacje zależą w znacznym stopniu od rotacji gwiazdy i nie mają charakteru akustycznego. Ich ewentualna detekcja wymaga wieloletnich, szczegółowych pomiarów poziomych ruchów materii przy powierzchni Słońca. Ciągłe obserwacje prowadzone od lat przez sondę SDO są jednak idealne do takich badań.
Zespół zaobserwował wiele różnych, niezależnych od siebie trybów oscylacji. Niektóre z nich miały maksymalną prędkość na biegunach Słońca (film 1), inne na średnich szerokościach heliograficznych, a jeszcze inne w pobliżu równika (film 2). Tryby oscylacji o maksymalnej prędkości w pobliżu równika to tak zwane mody Rossby'ego, które zespół zidentyfikował już w 2018 roku.
Długookresowe oscylacje objawiają się bardzo wolnymi ruchami wirowymi na powierzchni Słońca, z prędkościami rzędu 5 kilometrów na godzinę, czyli mniej więcej tyle, ile wynosi prędkość pieszego – wyjaśnia Zhi-Chao Liang z MPS.
Naukowcy potwierdzili te wyniki danymi obserwacyjnymi z instrumentu Global Oscillation Network Group (GONG), czyli wielkiej sieci sześciu niezależnych obserwatoriów słonecznych zlokalizowanych w Stanach Zjednoczonych, Australii, Indiach, Hiszpanii i Chile. Ale w celu pełnej identyfikacji natury wykrytych oscylacji słonecznych zespół porównał też uzyskane wyniki obserwacji z przewidywaniami modeli komputerowych. Modele te niemal dosłownie pozwalają zajrzeć w głąb Słońca i określić propagowanie się oscylacji w trzech wymiarach. By uzyskać te modelowe oscylacje, opracowano najpierw na gruncie wcześniejszych badań z zakresu heliosejsmologii dokładny model struktury Słońca i jego rotacji różnicowej. Dodatkowo uwzględniono w nim siłę konwekcji i amplitudę ruchów turbulentnych w górnych warstwach Słońca. Swobodne oscylacje w takim modelu są otrzymywane poprzez uwzględnienie w nim zaburzeń o niewielkiej amplitudzie. Okazało się, że odpowiadające im prędkości na powierzchni Słońca w modelu dobrze pasują do obserwowanych oscylacji, co umożliwiło zespołowi precyzyjną identyfikację dostrzeżonych modów oscylacyjnych.
Zespół podkreśla, że wszystkie nowo wykryte oscylacje są silnie uzależnione od różnicowej rotacji Słońca. Zależność rotacji Słońca od szerokości heliograficznej determinuje zatem obszar, w którym poszczególne mody oscylacji mają maksymalne amplitudy. Oscylacje są również wrażliwe na właściwości wnętrza Słońca, a w szczególności na siłę turbulentnych ruchów i związaną z nimi lepkość ośrodka słonecznego, a także siłę konwekcji – mówi Robert Cameron z MPS. Ta wrażliwość jest silna u podstawy strefy konwekcji, czyli na głębokości około dwustu tysięcy kilometrów pod powierzchnią Słońca. Z pomocą metod heliosejsmologii wykorzystujemy drgania akustyczne do poznania prędkości dźwięku we wnętrzu słonecznym, natomiast oscylacje długookresowe możemy wykorzystać do lepszego poznania procesów turbulentnych w Słońcu – dodaje naukowiec.
Odkrycie nowego typu oscylacji słonecznych jest bardzo ciekawe, gdyż pozwala nam wnioskować o wartości innych parametrów słonecznych, takie jak siła napędu konwekcyjnego, która w decydujący sposób kontroluje dynamo słoneczne – podsumowuje Laurent Gizon. Ten nowo odkryty potencjał naukowy oscylacji długookresowych zostanie w pełni wykorzystany zapewne dopiero w nadchodzących latach, przy użyciu nowego modelu komputerowego opracowywanego obecnie w ramach projektu WHOLESUN, wspieranego z grantu synergicznego Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych.
Czytaj więcej:
- Cały artykuł
- "Astronarium" nr 13 o asterosejsmologii
- Sztuczna inteligencja wspomaga Solar Dynamics Observatory
Źródło: MPG.de
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na zdjęciu: Słońce w pojedynczej barwie światła – H-alfa, zarejestrowano tu ogromną ilość szczegółów gotującej się powierzchni gwiazdy. Stopniowe pociemnienie w kierunku krawędzi, zwane pociemnieniem brzegowym, powodowane jest przez wzrastającą absorpcję stosunkowo chłodnego słonecznego gazu. Dalej ponad krawędzią widoczna jest wielka protuberancja, a zarys innej protuberancji można dostrzec jako ciemną smugę w pobliżu środka zdjęcia. Dwa obszary aktywne na Słońcu wyznaczają jasne pochodnie. To amatorskie zdjęcie Słońca wykonano małym teleskopem i standardową kamerą cyfrową. Źródło: APOD.pl/Ralph Encarnacion
