Активність Сонця змінюється приблизно кожні 11 років, що проявляється, зокрема, в частоті сонячних плям. Цілісний магнітний період триває 22 роки. Вже тривалий час науковці ламають собі голову, що приховується за цим циклом. Він мав би бути пов'язаний із внутрішньою поведінкою зорі. Адже гаряча плазма – електрично провідний газ – тече з поверхні до 200 000 кілометрів в глибину зірки. Плазма всередині цієї конвективної зони перебуває в постійному русі. Команді науковців з Інституту досліджень Сонячної системи імені Макса Планка, Геттінгенського Університету та Нью-Йоркського університету Абу-Дабі вдалося продемонструвати досі наймасштабнішу картину цього плазмового потоку в північно-південному напрямі. Вчені виявили на диво просту геометрію потоків: в кожній сонячній півкулі плазма описує один виток, що триває 22 роки. Крім того, потік, який тече в напрямі до екватора, відповідає за те, що внизу конвективної зони плями виникають все ближче до екватора.
Потужні потоки: всередині Сонця плазма рухається біля поверхні у напрямку до полюсів і в основі зони конвекції у напрямку до екватора. Зображення: MPS / Z.-C. Liang.
На видимій поверхні Сонця можна побачити деколи менші, деколи більші темні плями. Проміжок між двома максимами становить приблизно 11 років, а після 22 років сонячні плями знову набувають однакової магнітної полярності. В максимумі проявляються не лише великі плями, а й багато активних регіонів. Великі дуги гарячої плазми вириваються в Сонячну атмосферу, частинки та випромінювання з сильними вибухами потрапляють в космос. Натомість за мінімальної активності Сонце значно спокійніше.
Інша важлива регулярність проявляється в діаграмі метелика. Вона описує, в яких сонячних широтах сонячні плями виникають впродовж циклу. На початку переважають середні широти, потім місця виникнення сонячних плям все більше наближаються до екватора. Геліофізики припускають, що масштабні потоки плазми переносять магнітне поле в напрямку екватора.
«З перебігом сонячних циклів потоки плазми, як і на конвеєрі, рухаються з півночі на південь, переносячи й магнітне поле, визначаючи тривалість циклу, – сказав в журналі «Science» Лоран Ґізон (Laurent Gizon), виконавчий директор Інституту досліджень Сонячної системи імені Макса Планка в Геттінгені та провідний автор дослідження. – Зробити видимою точну геометрію та амплітуду плазматичного руху всередині Сонця – це матиме вирішальне значення для того, щоб зрозуміти сонячне магнітне поле». Для дослідження плазматичних потоків під поверхнею Сонця Ґізон та його команда використали методи геліосейсмології.
Геліосейсмологія для Сонячної фізики має приблизно таке ж значення, як сейсмологія для геофізики. Геліосейсмологія вивчає звукові хвилі, щоб аналізувати внутрішні процеси Сонця, а геофізика оцінює сейсмічні хвилі, щоб зрозуміти, що відбувається всередині нашої планети.
Близькі до поверхні конвективні потоки безперервно провокують звукові хвилі на Сонці. Вони відбуваються приблизно кожні п’ять хвилин. Хвилі поширюються поверхнею Сонця та призводять до рухів, які можна виміряти наземними обсерваторіями та космічними телескопами.
За допомогою геліосейсмології дослідники вимірювали потік, що тече у напрямку північ-південь. Цей потік визначає розвиток глобального магнітного поля та кількість сонячних плям. Зображення: MPS / Z.-C. Liang.
В актуальному дослідженні Лоран Ґізон та його команда спостерігали за звуковими хвилями, що поширюються всередині Сонця в напрямку з півночі на південь. Ці потоки плазми всередині Сонця заважають та змінюють хвилі: в напрямі потоків вони поширюються швидше, в протилежному – повільніше. Ці дуже незначні зміщення дослідники змогли виміряти і потім з допомогою математичних моделей та комп’ютерної симуляції вивели властивості плазматичних потоків.
«Всередині Сонця плазматичні потоки в напрямку з півночі на південь течуть значно повільніше, ніж ті, що пливуть зі сходу на захід», – сказав Ґізон. У цілій конвективній зоні найбільша швидкість північно-південних потоків становить 50 кілометрів за годину, найбільший показник на поверхні.
«Щоб зменшити шуми в геліосейсмічних даних, потрібно здійснювати вимірювання впродовж тривалого часу», – сказав Джі-Чао Лян (Zhi-Chao Liang) з Геттінгенського інституту імені Макса Планка.
Тому вчені вперше оцінили дві незалежні, масштабні низки вимірювань. Одну надала найстаріша сонячна обсерваторія SOHO, яку використовують космічні агенції NASA та ЄКА. Дані інструменту SOHO – MDI (Michelson Doppler Imager) – обмежуються періодом з 1996 по 2011 рік. Інший, незалежний набір даних надала дослідницька мережа GONG (Global Oscillation Network Group), об’єднання шести наземних сонячних телескопів в США, Австралії, Індії, Іспанії та Чилі. Разом шість телескопів практично безперервно стежили за Сонцем з 1995 року.
«Те, що міжнародна спільнота геліофізиків надала одразу кілька баз даних, що відтворюють минуле двох останніх сонячних циклів, гідне заохочення», – сказав Джон Ляйбахер (John Leibacher), колишній директор проєкту GONG. Завдяки цьому вчені змогли визначити середні показники для тривалого часу та порівняти результати.
З допомогою отриманих даних Ґізон та його команда з’ясували, що плазматичні потоки внизу конвективної зони течуть до екватора зі швидкістю 15 кілометрів за годину – тобто зі швидкістю бігу. На поверхні плазма тече в напрямку полюсів та досягає швидкості 50 кілометрів за годину. Загалом виявилося, що плазма в кожній півкулі описує один виток.
Цікаво, що тривалість такого кола становить близько 22 років – тобто надає фізичне пояснення сонячним циклам. Крім того, науковці виявили, що сонячні плями виникають з наближенням сонячного циклу до екватора – як описано в діаграмі метелика. «Наше дослідження підкріплює уявлення про те, що потоки в напрямку з півночі на південь відповідають за зміщення місць виникнення сонячних плям – все ближче до екватора», – сказав Роберт Камерон (Robert Cameron), дослідник з Інституту імені Макса Планка.
Зі слів Лорана Ґізона, все ще залишається відкритим питанням, чому з півночі на південь потоки течуть у такий спосіб та яку роль вони відіграють в магнітній активності інших зірок.
Rätsel Um Sonnenzyklus Erhellt
mpg.de, 25/06/2020
Зреферувала С.К.