Astronomia pod strzechy VI


Słońce, protuberancje (strumienie nad powierzchnią) i regiony silnego pola magnetycznego (na biało).

W ostatnich dniach świat naukowy obiegła wieść, której autorami są astrofizycy. Po ponad 20 latach obserwacji wystrzelonym w 1995 roku satelitą SOHO ustalono, że jądro Słońca wiruje około 4 razy szybciej niż jego powierzchnia (fotosfera) zaś jego okres obrotu wynosi około tygodnia.

Jako ludzie wykształceni wiedzieliśmy wcześniej, że różne warstwy Słońca różnią się między sobą temperaturą (jądro – kilkanaście mln Kelwinów, fotosfera – 5800 K i korona, jako atmosfera Słońca – około 1 mln K), składem chemicznym, wreszcie – formą transportu energii od helowego jądra do wodorowej otoczki i dalej (do pewnej głębokości następuje konwekcja, w głębi – transport promienisty a w samym jądrze – unoszenie nadmiaru energii poprzez produkcję i ucieczkę neutrin). Wiedzieliśmy o plamach słonecznych, o polu magnetycznym, pochodniach i innych składnikach fotosfery i korony. Jednak nie byliśmy świadomi, że oprócz tego istnieje żywy nurt badań zajmujących się słoneczną rotacją – w celu m.in. ustalenia, jak wiruje jądro Słońca i jaki głęboko przebiega tzw. tachoklina – warstwa rozdzielająca sferę konwekcji od transportu promienistego. Wcześniej było wiadomo, że powierzchnia Słońca nie kręci się jak bryła sztywna – równikowy okres obrotu wynosi około 25 dni, biegunowy około 35 dni. Jednak mogliśmy tylko snuć domysły, jak dalece wnętrze Słońca jest sprzężone z jego warstwami zewnętrznymi i nie byliśmy nawet pewni, czy kiedykolwiek będziemy w stanie dokładniej je zbadać.


Struktura wewnętrzna Słońca – chromosfera, fotosfera („powierzchnia”), strefa konwekcyjna, promienista i jądro oraz – z prawej – różne mody fal sejsmicznych wewnątrz wraz z ich schematycznymi torami propagacji.

Do obserwacji potrzeba było bardzo długiego ciągu danych (warto wspomnieć, że w krakowskim Obserwatorium Astronomicznym UJ radiowe obserwacje Słońca są wykonywane od przeszło 40 lat), i dopiero wtedy można sporządzić tzw. diagramy Echelle i wyznaczyć częstotliwości drgań jakie można zaobserwować w formie oscylacji powierzchni naszej dziennej gwiazdy. Pewne charakterystyczne wielkości (odległości między tzw. modami oscylacji słonecznych), których pozyskanie i interpretacja stopniowo przekształciły się w gałąź astronomii zwaną heliosejsmologią (lub, w odniesieniu do innych gwiazd, asterosejsmologią), są odzwierciedleniem jak najbardziej fizycznych parametrów Słońca, takich jak prędkość dźwięku w jego warstwach wewnętrznych (tak płytszych, jak i rejonów jądra) oraz czynnika zaburzającego tę prędkość, czyli gradientu prędkości dźwięku na pewnych głębokościach (odnoszonego do tachokliny, czyli warstwy, w których prędkość dźwięku ulega skokowi – podobnie jak w baroklinie silnej zmianie ulega ciśnienie atmosferyczne). Warstwę, w której prędkość ulega gwałtownej zmianie, odnosi się do wystąpienia fal grawitacyjnych ale tych znanych z meteorologii – zafalowania na granicy dwóch ośrodków o różniącej sie gęstości, jak np. ma to miejsce na oceanie czy wysoko w atmosferze. Wygląda na to, że przy pomocy długiego ciągu obserwacji SOHO możemy penetrować różne głębokości pod powierzchnią Słońca i oceniać własności zalegającej tam materii.


Widmo oscylacji gwiazdy – widoczne wielkości „large-spacing” i „small-spacing” odnoszące się do opisanych w tekście parametrów fizycznych gwiazdy. Na podstawie takiego wykresu tworzy się „diagram Echelle” (rysunek poniżej).

Pierwszy typ fal, nazwanych dźwiękowymi (p-modes) wywołują różnice ciśnienia natomiast drugi – czyli g-mody – przeskoki w gęstości i składzie chemicznym ośrodka. Najkrócej, g-mody pozwalają astronomom wyznaczyć rozmiar jądra i prędkość jego rotacji ale są znacznie trudniejsze do wychwycenia na opisanym przykładowym diagramie Echelle. Dzięki znajomości struktury wewnętrznej Słońca jesteśmy też w stanie oszacować jego wiek (choć tak naprawdę kalibruje się go za pomocą innych obserwacji, np. meteorytowych czy izotopowych) i strukturę – podobnie jak trzęsienia ziemi pomagają ustalić przy pomocy sieci sejsmografów strukturę wnętrza Ziemi. Warto zauważyć, że modów-g (grawitacyjnych) nie obserwujemy bezpośrednio a tylko poprzez wpływ jaki mają na mody-p (ciśnieniowe). Czyli dopiero znając częstość modu-p (czyli large-spacing) możemy zmierzyć odchylenie od tej częstości na podstawie ciągu wielu obserwacji i zinterpretować go jako wpływ modu-g (small-spacing) na częstość modu-p.


Przykład „diagramu Echelle” – na osi X small-spacing, na osi Y – large-spacing, oba w mikrohercach (10^-6 Hz). Obrazuje on – podobnie jak dla mikropulsów w pulsarach – ewolucję układu po złożeniu razem wielu serii obserwacyjnych z zadanym okresem. Tutaj – okresem podróży fali dźwiękowej przez Słońce. Cyferki z prawej oznaczają kolejne zbiory danych sąsiadujące czasowo. Symbole oznaczają ułożenie pików emisji na widmie w zależności od cyklu obserwacyjnego – widać charakterystyczne „pływanie” w jedną i druga stronę, spowodowane efektem Dopplera (subtelnym oddalaniem i przybliżaniem materii gwiazdy w stosunku do nas – ziemskich obserwatorów).

SOHO jest kolejnym po Kosmicznym Teleskopie Hubble’a satelitą, którego ciąg danych wynosi ponad 20 lat. Dzięki temu sygnały, które były bardzo skażone szumem (czyli miały słaby stosunek sygnału do szumu), mogły zostać pocięte na stosunkowo długie, bo 4 lub 8-godzinne przedziały i w różny sposób przekształcane – sumowane, czy też analizowane w dziedzinie widmowej poprzez wykonywanie transformat Fourier’a aby wyznaczyć wartości własne dla poszczególnych okresów aktywności Słońca.


Przykładowe widma jasnych gwiazd z aktywnością sejsmologiczną. Jednostki – miliherce, 10^-3 Hz. Na osi Y – intensywność promieniowania na danej częstości zbierane przez teleskop zorientowany na gwiazdę. Źródło – H. Jeldsen, 2002.

Te 20 lat obserwacji umożliwiło wydzielenie ponad 34,000 próbek i ich interpretację statystyczną. Z niej to wyniknęło, że średni czas podróży sygnału (fali dźwiękowej) przez wnętrze Słońca (od powierzchni do powierzchni) wynosi 4 godz 6 min 47 s. Ponadto zmierzono amplitudę i częstotliwość fluktuacji tej wielkości (na przestrzeni 16.5 lat obserwacji) i znaleziono, że wynosi ona (dla 1 sigma) 52 sekundy. Wiąże się to z określeniem wielkości tzw. large spacing i small spacing (na rysunku 2 akapity powyżej) i nadanie im interpretacji, iż large spacing pomaga wyznaczyć prędkość dźwięku w ośrodku formującym wnętrze Słońca a small spacing (czyli owa fluktuacja, która przejawia znamiona okresowości) – głębokość, do której transport jest konwekcyjny, a poniżej którego – promienisty, ergo jak daleko sięga jądro Słońca i jak prędko ono rotuje.


Wizja artystyczna satelity SOHO (the Solar and Heliospheric Obserwatory). Źródło – NASA/ESA.

Marcin „Doktorek“ Kolonko

Dodaj komentarz