Скрытое изменение внутри Солнца может помочь объяснить слабые солнечные циклы

Фото из открытых источников

Хотя периоды бурной активности Солнца привлекают к себе всеобщее внимание, даже в более спокойные времена наша родная звезда способна незаметно изменять свою внутреннюю структуру.

Согласно новому анализу данных за несколько десятилетий, периоды затишья в 11-летнем цикле солнечной активности не идентичны, а измеримые изменения в ее внутренних колебаниях произошли во время самого глубокого солнечного минимума в новейшей истории. Результаты исследования были опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

«Впервые нам удалось четко количественно оценить, как внутренняя структура Солнца изменяется от одного минимума солнечного цикла к другому», — говорит астроном Билл Чаплин из Бирмингемского университета в Великобритании. «Внешние слои Солнца незаметно меняются в зависимости от циклов активности, и мы обнаружили, что глубокие периоды затишья могут оставлять измеримый внутренний след».

Наше Солнце — это не статичная, неизменная ядерная печь на небе. Одним из наиболее ярких проявлений его динамической природы является солнечный цикл, связанный с изменением направления его магнитных полюсов. Примерно каждые 11 лет Солнце достигает пика активности, называемого солнечным максимумом, а затем снова снижается до солнечного минимума.

Активность нарастает по мере приближения к солнечному максимуму, что приводит к увеличению количества солнечных пятен, вспышек и выбросов корональной массы. Примерно в это же время происходит смена магнитных полюсов Солнца. Два солнечных цикла никогда не бывают абсолютно одинаковыми, некоторые максимумы сильнее других. Однако минимумы, по крайней мере на первый взгляд, кажутся довольно похожими друг на друга.

Используя сеть солнечных осцилляций Бирмингема (BiSON) — сеть из шести телескопов по всему миру — группа под руководством астрофизика Сарбани Басу из Йельского университета более подробно изучила четыре последовательных солнечных минимума, охватывающих переходы между 21-м и 25-м солнечными циклами (в настоящее время мы находимся в 25-м солнечном цикле).

Исследовательская группа изучила акустические колебания внутри Солнца — захваченные звуковые волны, которые отражаются в солнечной плазме, вызывая едва заметное мерцание света на поверхности Солнца.

Подобно тому, как сейсмические волны, распространяющиеся внутри Земли, раскрывают детали её внутреннего строения, звуковые волны внутри Солнца могут показать, что происходит под его поверхностью. Этот метод анализа известен как гелиосейсмология .

Исследователи изучали два основных сигнала. Первый известен как гелиевый сбой. Непосредственно под видимой поверхностью Солнца находится слой, где гелий ионизируется за счет потери электронов, что приводит к изменению его энергетического состояния и оставляет характерный «отпечаток» в данных колебаний.

Второй фактор — скорость звука внутри Солнца. Звук распространяется в среде с разной скоростью в зависимости от её свойств, таких как температура и давление. Если внутренняя структура Солнца изменяется даже незначительно, скорость звука меняется, а это, в свою очередь, сдвигает частоты колебаний.

Команда также сравнила эти измерения с моделями поведения Солнца, основанными на несколько иных внутренних условиях.

Четыре минимума наблюдались в 1985 году, между 21-м и 22-м циклами; в 1996 году, между 22-м и 23-м циклами; в 2008-2009 годах, между 23-м и 24-м циклами; и в 2018-2019 годах, между 24-м и 25-м циклами.

Важно отметить, что минимум 2008-2009 годов был одним из самых продолжительных и спокойных с начала ведения наблюдений, и он продемонстрировал наиболее четкие внутренние сдвиги из четырех. Сигнал гелиевых сбоев был сильнее, чем в трех других минимумах, а скорость звука была выше во внешних слоях Солнца.

Это позволяет предположить, что в период этого минимума давление газа было выше, температура немного выше, а магнитные поля в некоторых областях Солнца слабее.

«Изучение поведения Солнца под его поверхностью в эти периоды затишья имеет важное значение, поскольку это поведение оказывает сильное влияние на то, как будет нарастать активность в последующих циклах», — отмечает Басу, — и действительно, 24-й солнечный цикл был необычайно спокойным, с одним из самых слабых максимумов, когда-либо зарегистрированных.

Прогнозирование поведения Солнца чрезвычайно сложно, отчасти потому, что движущая сила этого процесса скрыта под поверхностью. Это бурлящий, вращающийся, намагниченный шар плазмы, где даже крошечные внутренние изменения могут распространяться наружу, вызывая значительные изменения в активности.

В этой новой статье показано, что даже солнечная активность, которая на поверхности выглядит похожей, может быть вызвана незначительно различающимися внутренними условиями. Это указывает на наличие слоя изменчивости, который, возможно, следует более тщательно учитывать в солнечных моделях.

«Наша работа демонстрирует эффективность долгосрочных наблюдений за звездной сейсмикой», — говорит Чаплин. «Благодаря предстоящим миссиям, таким как PLATO Европейского космического агентства, методы, использованные в этом исследовании, могут быть применены к другим звездам, подобным Солнцу, что поможет нам лучше понять, как меняется их активность и как они влияют на окружающую среду, включая любые планеты, которые могут находиться на их планетах».