FAQ: Гелиосейсмология

Солнце изучают разными методами: с помощью наземных наблюдений и из космоса. Но за последнее время наиболее значимые результаты были получены именно из космоса. Солнце очень много изучалось на поверхности: как устроена атмосфера на нем, какие магнитные поля существуют, какие происходят явления. Но всем ясно, что основой всего являются недра Солнца.

1

В ядре Солнца происходит термоядерная реакция — эта энергия, от которой дальше распространяется по радиационной зоне наружу. В какой-то момент перенос этой энергии становится более эффективным за счет конвекции, и возникает конвективная зона, и потом уже видимая фотосфера и видимые слои оболочки — хромосфера и корона, которую мы видим во время затмения. Как устроено Солнце внутри, как возникают активные области и вспышки — это все лежит в недрах Солнца и в природе самого солнечного цикла, потому что количество магнитных полей и так называемых «солнечных пятен» (это просто выход этого магнитного поля на поверхность) меняется с 11-летним солнечным циклом. То есть их усредненное число меняется от максимума до максимума, от минимума до минимума примерно за 11 лет. И амплитуда циклов тоже очень разная.

В. Д. Кузнецов. Космические исследования Солнца. Сборник статей «Пятьдесят лет космических исследований» (по материалам Международного форума, посвященного пятидесятилетию запуска Первого искусственного спутника Земли, «Космос: наука и проблемы XXI века», РАН, октябрь 2007 г., Москва). М., Физматлит, 2009, с. 60-92.

2

В основе солнечной активности и солнечного цикла лежит теория динамо, потому что Солнце вращается дифференциально, то есть не как твердое тело. Глубокие слои вращаются быстрее и экватор вращается быстрее. Эти данные удалось получить с помощью методов гелиосейсмологии. Что такое гелиосейсмология? Единственное, что мы можем получать из недр Солнца — это нейтрино, которое, в частности, регистрирует Баксанская обсерватория. И оно нам дает представление о ядерных реакциях. Другой метод — это гелиосейсмология — наблюдать колебания на поверхности Солнца. Ведь Солнце — это, фактически, плазменная капля, которая держится гравитацией, и имеет место равновесие между давлением газа и гравитацией. Когда мы по ней «стукаем», возникают колебания, и мы эти колебания анализируем, и, таким образом, можем восстанавливать структуру недр Солнца и изучать, как оно вращается и какое существует в нем распределение параметров.

Lecture Notes on Stellar Oscillations. Jorgen Christensen-Dalsgaard Institut for Fysik og Astronomi, Aarhus UniversitetTeoretisk Astrofysik Center, Danmarks Grundforskningsfond, Fifth Edition, June 2003.

3

Этот метод гелиосейсмологии был очень активно развит. И в результате многих изменений удалось установить, что Солнце действительно вращается не как твердое тело, одни слои вращаются быстрее, другие медленнее. Существует дипольное магнитное поле, которое находится на разных глубинах. Получается, что более глубокое поле вращается быстрее и поэтому магнитное вытягивается, и образуется так называемое тороидальное троедальное поле, которое существует вокруг Солнца. Вращением оно усиливается и усиливается. В какой-то момент это поле начинает всплывать, потому что поле имеет давление и поле с плазмой весит легче, чем плазма без поля. И когда оно всплывает, на поверхности появляются пятна — активные области, выходы магнитных трубок, и дальше начинается движение этих пятен по поверхности, которое мы наблюдаем в солнечном цикле. Такое движение и описывается магнитной гидродинамикой электродинамики.

Helioseismic Diagnostics of Solar Convection and Activity. Kluwerv Academic Publishers, 2001. Eds. T.L.Duvall, Jr.W.Harvey, A.G.Kosovichev, Z. Svestka.

4

Как эти движения устроены и почему получается 11-летний цикл? И почему от цикла к циклу меняется амплитуда и длительность? Сейчас очень активно изучают тот солнечный цикл, который идет (24-й цикл). Он начался в 2009 году. Как раз столько циклов наблюдало человечество. Впервые пятна наблюдал Галилей и еще три ученых из Англии, Голландии и Германии в 1610 году. Ученые видели, что все циклы разные, и пытались установить закономерности — не удалось. Поэтому одна из задач гелиосейсмологии сегодня состоит в том, чтобы детально изучить внутреннюю структуру (какие там происходят движения в Солнце) и чем определяются параметры солнечного цикла. И самое главное научиться предсказывать солнечные циклы, потому что в прошлом были такие аномальные поведения Солнца, когда фактически солнечный цикл как бы прекращался. Такой период был с 1670 по 1710 год. Это так называемый «маундеровский минимум», когда на Солнце практически не было пятен. Хотя этот вопрос спорный, потому что поле менялось, но известно, что обычное магнитное поле в пятне — 3 — даже 4 тысячи гаусс. Такое сильное магнитное поле подавляет конвекцию и пятно становится темным. Если поле уменьшится до 1,5 тысяч гаусс, то его уже не видно как пятно. Магнитное поле продолжает циркулировать, а пятен уже не видно, как будто цикла нет. А на самом деле он мог быть. Интересно восстановить и понять, могут ли в будущем быть такие аномалии, потому что с этим связывались похолодания на Земле.

A.G.Kosovichev, T.L.Duvall, P.Scherrer. Time-Distance Inverse Methods and Results. Solar Phys., v.192, 159, 2000.

5

Есть у Солнца и другие циклы. Есть 200-летний цикл и еще большего периода — природа их кроется в недрах Солнца. Метод гелиосейсмологии — это один из способов заглянуть в недра Солнца. В основном с космических аппаратов наблюдают возмущения скорости или яркости на поверхности Солнца, потому что когда возникают колебания — где-то идет уменьшение яркости, где-то увеличение, часть поверхности Солнца движется вниз, часть движется к нам — из-за эффекта Доплера возникает так называемый сдвиг линий. Красный сдвиг спектральной линии — когда движение на нас, сдвиг в голубую часть спектра — движение внутрь Солнца, от нас. И, таким образом, по структуре колебаний на поверхности, делая предположения, мы восстанавливаем структуру колебаний внутри Солнца и смотрим как это устроено.

A.G.Kosovichev et al. Sounding Solar and Stellar Interiors. Eds., J.Provost, F.-X.Schmider. Proc. IAU Symp. № 181, 1998, p.203.

6

Сейчас ученые думают над новыми проектами. В том числе есть российские проекты и проекты NASA, которые направлены на более детальное наблюдение поверхности Солнца и магнитных полей с тем, чтобы проникнуть в глубокие слои, изучить их строение и понять природу солнечного цикла.

Нейтрино нам дает информацию о тех ядерных реакциях, которые происходят в ядре. Там очень высокая плотность, 160 гр. на см3 — это в 160 раз больше, чем плотность воды. И по количеству этих нейтрино мы получаем информацию о скорости энерговыделения. Был такой эксперимент Дэвиса, который показал, что имеется некоторое расхождение между тем, что он пронаблюдал и тем, что предсказывают теоретически. И долго не знали, как это разрешить, но потом это было разрешено путем того, что нейтрино осциллируют. Есть три типа нейтрино. Одни преобразуется в другие, когда они летят от ядра Солнца к поверхности Земли.

В. Д. Кузнецов. Космические исследования Солнца. Успехи физических наук, т.180, № 9, 988-996, 2010.

7

Наиболее значимым проектом, который внес очень большой вклад в изучение Солнца методом гелиосейсмологии, был проект SOHO. Это аббревиатура Solar and Heliospheric Observatory — Солнечная и гелиосферная обсерватория. До настоящего времени этот спутник летает. Это проект европейского агентства при поддержке NASA, космический аппарат, который находится в точке Лагранжа — в точке между Солнцем и Землей, на расстоянии примерно 1,5 миллиона километров от Земли. За пределами магнитосферы Земли есть такая точка, где гравитация равна нулю, потому что притяжения Солнца и Земли друг друга компенсируют. И поэтому этот аппарат имеет возможность вращаться вокруг Солнца, оставаясь все время на линии Солнце-Земля и все время смотрит на Солнце. Для него нет ночи. Как раз для гелиосейсмологии и нужны непрерывные ряды наблюдений, этим определяется точность определения параметров. И вот с помощью этого космического аппарата было сделано очень много открытий и получено много новых результатов.