Słońce ma głębszy sekret. Tłumaczy jego zachowanie
Nowe badanie sugeruje, że magnetyczny silnik Słońca działa głęboko pod jego powierzchnią. To może zmienić sposób myślenia o cyklach słonecznych i pogodzie kosmicznej.
Słońce od dawna zdradzało, że jego 11-letni rytm nie rodzi się wyłącznie na powierzchni, ale długo nie było jasne, jak głęboko trzeba zajrzeć, by znaleźć prawdziwy początek tej historii. Nowe badanie sugeruje, że magnetyczny silnik naszej gwiazdy działa przy tachoklinie, cienkiej warstwie leżącej około 200 tys. km pod powierzchnią. To nieco niewygodne, bo oznacza, że uproszczone modele oparte głównie na warstwach przypowierzchniowych mogą po prostu nie wystarczyć.
To nie jest drobna korekta, tylko ruch w sam środek sporu o Słońce
Od lat trwa spór o to, gdzie naprawdę działa słoneczne dynamo, czyli mechanizm odpowiedzialny za powstawanie i przebudowę pola magnetycznego Słońca. Jedna szkoła myślenia wskazywała tachoklinę, warstwę przejściową u podstawy strefy konwekcyjnej. Inna przekonywała, że najważniejsze procesy mogą zachodzić płycej, w warstwie ścinania tuż pod powierzchnią.
Nowe badanie opublikowane w Scientific Reports nie ogłasza ostatecznego końca tej debaty, ale wyraźnie wzmacnia obóz głębszy, bo autorzy piszą wprost, że ich wynik wspiera głęboko osadzone pochodzenie dynama i osłabia scenariusz czysto płytkiego, przypowierzchniowego mechanizmu.
Jeszcze w maju 2024 r. w Nature ukazała się praca stawiająca bardzo mocną tezę odwrotną, że słoneczne dynamo zaczyna się blisko powierzchni. Autorzy tamtego artykułu wiązali obserwowane pasma rotacyjne z warstwą obejmującą zaledwie zewnętrzne 5-10 proc. promienia Słońca i sugerowali, że to tam należy szukać źródła cyklu magnetycznego. Nowa analiza nie tyle kasuje tamten wynik, ile przesuwa punkt ciężkości z powrotem w dół, ku tachoklinie i całej strefie konwekcyjnej.
Jak zajrzeć 200 tys. km pod powierzchnię gwiazdy?
Narzędziem, które pozwoliło zbliżyć się do odpowiedzi, była heliosejsmologia. To dziedzina badająca fale akustyczne biegnące przez wnętrze Słońca. Działa to podobnie jak sejsmologia na Ziemi: skoro trzęsienia ziemi pozwalają odtwarzać budowę naszej planety, to drgania i oscylacje Słońca mogą odsłaniać ukryte warstwy gwiazdy. Heliosejsmologia wykorzystuje fale rozchodzące się we wnętrzu Słońca do badania jego niewidocznej struktury i dynamiki.
Badacze nie opierali się na jednym instrumencie ani na krótkiej serii pomiarowej. Wzięli dane z trzech źródeł: naziemnej sieci GONG, działającej jako globalny układ 6 teleskopów zapewniających niemal ciągłe obserwacje Słońca, instrumentu MDI na pokładzie misji SOHO oraz instrumentu HMI na sondzie SDO.
Dzięki temu dostali zapis obejmujący ponad 2,5 cyklu słonecznego: od połowy lat 90. do kwietnia 2024 r., czyli pełne cykle 23 i 24 oraz pierwszą połowę cyklu 25. GONG sam opisuje się jako system służący zarówno do prognozowania pogody kosmicznej, jak i do badania wnętrza Słońca, a HMI został zaprojektowany właśnie po to, by regularnie mierzyć ruch fotosfery i pola magnetyczne na potrzeby heliosejsmologii.
Badacze śledzili więc nie tyle same magnesy ukryte w gwieździe, bo tych bezpośrednio zobaczyć się nie da, lecz ich ślady w ruchu plazmy. Szczególnie ważne okazały się pasma nieco szybszej i nieco wolniejszej rotacji, które migrują po Słońcu wraz z cyklem aktywności. Autorzy potraktowali te wzory przepływu jako wskaźniki głębszych zmian strukturalnych związanych z dynamem. W wynikach zobaczyli motylkowy układ zmian w pobliżu tachokliny, przypominający słynny diagram motylkowy plam słonecznych obserwowanych na powierzchni.
Trop prowadzi do tachokliny, czyli jednej z najdziwniejszych warstw Słońca
Tachoklina to cienka warstwa na styku dwóch bardzo różnych regionów. Nad nią leży strefa konwekcyjna, gdzie gorąca plazma nieustannie się miesza, unosi i opada. Pod nią znajduje się bardziej stabilne wnętrze promieniste. Właśnie w tachoklinie gwałtownie zmienia się rotacja Słońca. Z różnicowej, zależnej od szerokości heliograficznej, przechodzi w ruch bliższy rotacji sztywnej bryły.
Można ją opisać jako zagadkową i niezwykle cienką strefę u podstawy konwekcyjnej części Słońca, gdzie tempo rotacji nagle zmienia charakter. A tam, gdzie pojawia się silne ścinanie przepływów, fizyka bardzo chętnie produkuje złożone pola magnetyczne.
Nowe badanie pokazuje, że właśnie w pobliżu tej granicy radialny i szerokościowy gradient rotacji zachowują się zgodnie z cyklem słonecznym. Autorzy piszą, że po raz pierwszy wykazali wzory przypominające drgania skrętne w bezpośrednim sąsiedztwie tachokliny.
Co więcej, skok prędkości rotacji w tej warstwie okazał się silniejszy podczas cyklu 23, słabszy w cyklu 24 i znów rosnący w cyklu 25. To nie jest oczywiście jeszcze gotowy mechanizm przyczynowy rozpisany równanie po równaniu, ale jest to bardzo mocna obserwacyjna wskazówka, że głębokie warstwy Słońca rzeczywiście pulsują w rytmie jego aktywności magnetycznej.
To wszystko komplikuje
Najciekawszy i zarazem najmniej wygodny wniosek jest taki, że Słońca prawdopodobnie nie da się opisać prostym modelem generatora powierzchniowego. Jeśli autorzy mają rację, to trzeba uwzględniać całą strefę konwekcyjną, a szczególnie tachoklinę, ponieważ to z tych głębszych warstw mogą wychodzić pasma zmian, które dopiero po latach przebijają się ku powierzchni. Wynik opisany w badaniu nie daje jeszcze precyzyjnych prognoz przyszłych cykli, ale pokazuje, iż modele pogody kosmicznej muszą obejmować pełniejszy obraz wnętrza gwiazdy, a nie tylko jej zewnętrzną skórę.
Cykl słoneczny jest jednym z głównych regulatorów pogody kosmicznej. Rozbłyski i koronalne wyrzuty masy potrafią zakłócać łączność, nawigację satelitarną, pracę satelitów i w skrajnych przypadkach także sieci energetyczne. Jeśli więc źródła zmian aktywności rodzą się głębiej i wcześniej, niż wygodnie zakładały modele uproszczone, to dobra wiadomość brzmi, że mamy lepszy trop. Tyle że to trop prowadzący do bardziej złożonej fizyki, a nie do prostszego kalendarza burz słonecznych.
To nie tylko sprawa naszego Słońca
Wiele gwiazd wykazuje cykle magnetyczne podobne do słonecznego, ale żadnej innej nie da się obserwować z taką rozdzielczością i ciągłością jak Słońca. Właśnie dlatego heliofizycy traktują naszą gwiazdę jak laboratorium dla całej astrofizyki gwiazdowej. Jeżeli uda się lepiej zrozumieć, jak działa dynamo słoneczne, łatwiej będzie interpretować aktywność innych gwiazd, nawet jeśli w ich przypadku nie mamy porównywalnych danych z wnętrza.
Przeczytaj także:
Nowe badanie nie odsłania tylko jednego ukrytego pokoju we wnętrzu Słońca. Ono raczej porządkuje mapę całego domu. Pokazuje, że jeśli chcemy rozumieć, skąd bierze się rytm plam, rozbłysków i zmian pola magnetycznego, musimy patrzeć głębiej niż warstwy, które najłatwiej mierzyć. To nie zamyka sprawy raz na zawsze, ale znacząco podnosi poprzeczkę wszystkim konkurencyjnym modelom.
