Открытые долгопериодические колебания Солнца

Группа солнечных физиков сообщила об открытии глобальных колебаний Солнца с очень длинными периодами, сравнимыми с 27-дневным периодом вращения Солнца.

Колебания проявляются на поверхности Солнца в виде закрученных движений со скоростью порядка 5 километров в час.

Используя компьютерные модели, ученые показали, что недавно обнаруженные колебания являются резонансными модами и обязаны своим существованием дифференциальному вращению Солнца.

Колебания помогут найти новые способы исследовать внутреннее пространство Солнца и получить информацию о внутренней структуре и динамике нашей звезды.

На видео ниже показана скорость восток-запад, связанная с ретроградным распространением высокоширотной моды колебаний m = 1 (-86 нГц в системе отсчета Кэррингтона). Колебания имеют максимальную скорость на полюсах. Слева: наблюдения с использованием инструмента SDO / HMI. Справа: численная модель. Звук создается путем сдвига частоты волны в слышимый диапазон.

В 1960-х годах были открыты высокие музыкальные ноты Солнца: Солнце звенит как колокол. Миллионы мод акустических колебаний с короткими периодами, около 5 минут, возбуждаются конвективной турбулентностью вблизи поверхности Солнца и удерживаются внутри Солнца.

Эти 5-минутные колебания непрерывно наблюдались наземными телескопами и космическими обсерваториями с середины 1990-х годов и очень успешно использовались гелиосейсмологами для изучения внутренней структуры и динамики нашей звезды — точно так же, как сейсмологи изучают внутреннюю часть Земли. Земля, изучая землетрясения. Одним из достижений гелиосейсмологии стало отображение вращения Солнца как функции глубины и широты (дифференциальное вращение Солнца).

В дополнение к 5-минутным колебаниям более 40 лет назад предсказывалось, что в звездах будут существовать гораздо более длительные колебания, но они не были обнаружены на Солнце до сих пор. «Долгопериодические колебания зависят от вращения Солнца; они не акустические по своей природе,— говорит Лоран Гизон, ведущий автор нового исследования и директор MPS. «Обнаружение долгопериодических колебаний Солнца требует измерения горизонтальных движений на поверхности Солнца в течение многих лет. Для этой цели идеально подходят непрерывные наблюдения с гелиосейсмической и магнитной визуализации (HMI) на борту SDO.”

На видео ниже показана скорость восток-запад, связанная с ретроградной модой колебаний. Колебания имеют максимальную скорость на средних широтах. Слева: наблюдения с использованием инструмента SDO / HMI. Справа: численная модель. Звук: отфильтрованные данные (73 ± 10 нГц) смещены в слышимый спектр; звуковые вариации информируют нас о возбуждении и затухании моды.

Команда наблюдала множество десятков режимов колебаний, каждая со своим периодом колебаний и пространственной зависимостью. Некоторые виды колебаний имеют максимальную скорость на полюсах (фильм 1), некоторые — на средних широтах (фильм 2), а некоторые — около экватора (фильм 3).

Режимы с максимальной скоростью около экватора — это режимы Россби, которые команда уже определила в 2018 году ».Долгопериодические колебания проявляются в виде очень медленных закрученных движений на поверхности Солнца со скоростью около 5 километров в час — примерно с какой скоростью человек ходит,— говорит Чжи-Чао Лян из MPS.

Киран Джайн из NSO вместе с Б. Лекшми и Бастиан Проксауф из MPS подтвердили результаты данными Global Oscillation Network Group (GONG), сети из шести солнечных обсерваторий в США, Австралии, Индии, Испании и Чили.

Чтобы определить природу этих колебаний, команда сравнила данные наблюдений с компьютерными моделями. «Модели позволяют заглянуть внутрь Солнца и определить полную трехмерную структуру колебаний,— объясняет аспирант MPS Юто Бекки.

Чтобы получить модель колебаний, команда начала с модели структуры Солнца и дифференциального вращения, выведенной из гелиосейсмологии. Кроме того, в модели учитываются сила конвективного движения в верхних слоях и амплитуда турбулентных движений. Свободные колебания модели находятся путем рассмотрения возмущений малой амплитуды в модели Солнца.

Соответствующие скорости на поверхности хорошо соответствуют наблюдаемым колебаниям и позволили группе идентифицировать моды.

На видео ниже показана скорость с севера на юг, связанная с ретроградной распространяющейся модой колебаний. Колебания имеют максимальную скорость около экватора. Слева: наблюдения с использованием инструмента SDO / HMI. Справа: численная модель. Звук: отфильтрованные данные (269 ± 10 нГц) смещены в слышимый спектр; звуковые вариации информируют нас о возбуждении и затухании моды.

«Все эти новые колебания, которые мы наблюдаем на Солнце, сильно зависят от дифференциального вращения Солнца,— говорит ученый MPS Дэмьен Фурнье. Зависимость вращения Солнца от широты определяет, где моды имеют максимальные амплитуды.

«Колебания также чувствительны к свойствам внутренней части Солнца: в частности, к силе турбулентных движений и связанной с ними вязкости солнечной среды, а также к силе конвективного движения,— говорит Роберт Кэмерон из MPS.

Эта чувствительность высока у основания конвективной зоны, примерно в двухстах тысячах километров от поверхности Солнца. «Точно так же, как мы используем акустические колебания, чтобы узнать о скорости звука в недрах Солнца с помощью гелиосейсмологии, мы можем использовать долгопериодические колебания, чтобы узнать о турбулентных процессах,» он добавляет.

Открытие нового типа солнечных колебаний очень захватывающе, потому что оно позволяет нам делать выводы о свойствах, таких как сила конвективного движения, которые в конечном итоге управляют солнечным динамо.