Сверхбыстрые волны, обнаруженные на поверхности Солнца, не поддаются объяснению современными теориями

Внутренняя часть Солнца и звезд недоступна для обычной астрономии, особенно с помощью электромагнитного излучения. Тем не менее внутренние процессы звезд часто могут быть выведены на основе активности поверхности звезды, путем изучения распространения акустических волн, аналогично земной сейсмологии. Это известно как гелиосейсмология. Недавно ученые из Нью-Йоркского университета в Абу-Даби проанализировали 25 лет космических и наземных данных и обнаружили загадочные волны. Они движутся в направлении, противоположном вращению Солнца, и в три раза быстрее, чем предполагается современной физикой Солнца.

Подобно тому, как сейсмология изучает сотрясения Земли, гелиосейсмология изучает сотрясения Солнца. Как и почти все звезды, поверхность Солнца оживляется колебательными движениями. Эти естественные и постоянные пульсации генерируют звуковые или гравитационные волны, которые распространяются через звезду и позволяют изучать ее от поверхности по направлению к центру. Источником волн, в случае Солнца, является поверхностная турбулентность. Миллионы частиц газа, нагретые до нескольких тысяч градусов, перемешиваются и вызывают волны, которые распространяются внутри Солнца.

Некоторые волны, более тангенциальные, остаются вблизи поверхности и отражаются во многих точках сферы. Другие, более радиальные, достигают центра Солнца. В каждый момент времени генерируются миллионы различных колебательных "режимов". Изучение этих режимов дает информацию о свойствах звездной материи. Имея диаметр 1 400 000 км, Солнце "звучит" на очень низкой частоте, около 3 мГц, на несколько десятков октав ниже порога, доступного человеческому уху (от 16 до 20 000 Гц).

Однако акустические волны нечувствительны к таким параметрам, как магнитные поля, турбулентная вязкость и градиенты энтропии в зоне глубокой конвекции, которые являются критическими исходными данными для теорий солнечной динамики. Инерционные волны могут преодолеть этот разрыв благодаря своей дополнительной чувствительности к этим параметрам. Они представляют собой тип гидродинамических волн, возникающих во вращающихся жидких телах. На Земле инерционные волны играют важную роль в погодных системах, например, в переносе холодного полярного воздуха из Арктики в Северную Америку. На Солнце они, вероятно, играют роль в переносе углового момента к экватору, что позволяет экватору Солнца продолжать вращаться быстрее, чем его полюсам.

Соединив традиционные данные с новым методом инерционных волн, ученые из Центра космических исследований Нью-Йоркского университета в Абу-Даби смогли определить новый тип волн. Их выводы опубликованы в журнале Nature Astronomy.

Это открытие последовало за исследованием, опубликованным в 2021 году тем же центром космических исследований под руководством Лорана Гризона с использованием гелиосейсмологии. Исследование привело к обнаружению глобальных колебаний Солнца, сравнимых с периодом солнечного вращения в 27 дней. Колебания проявляются на солнечной поверхности в виде вихревых движений со скоростью около пяти километров в час. Подобно исследованию Hanson et al. (2022), Л. Гризон основывался на гелиосейсмологии, молодой дисциплине в астрофизике. Только в 1960 году впервые были обнаружены чрезвычайно слабые пульсации Солнца с периодом в 5 минут. Используя доплеровские измерения скорости, они заставили фотосферу двигаться со скоростью несколько километров в секунду.

Но нужно будет подождать следующего десятилетия, чтобы теоретически понять это явление как проявление распространения звуковых волн на солнце. Другие наблюдения, сначала с помощью наземных телескопов, до появления специально предназначенных космических миссий, позже подтвердили и это открытие, и теорию.

Свойства этих колебаний, которые зависят от изменений в физических условиях и движений в недрах звезд, подобных Солнцу, дают возможность исследовать звезду так же, как землетрясения информируют геофизиков о структуре Земли. Лоран Гризон сказал в своем заявлении: "Открытие нового типа солнечных колебаний является захватывающим, поскольку позволяет нам вывести свойства, такие как сила конвективного привода, которые в конечном итоге управляют солнечной динамикой".

Новые волны с необъяснимым происхождением

Крис Хансон и его коллеги проанализировали данные 24-летних наблюдений наземных телескопов группы Global Oscillation Network Group и 10-летних наблюдений космического телескопа Helioseismic and Magnetic Imager (HMI).

В полученных данных исследователи обнаружили очень когерентный сигнал, который их анализ показал наличие невиданных волн, названных "высокочастотными ретроградными волнами" (HFR). Они движутся в направлении, противоположном вращению Солнца, и проявляются в виде узора вихрей на поверхности звезды, с антисимметрией между северным и южным полюсами. Они движутся по поверхности Солнца со скоростью, в три раза превышающей скорость, установленную современной теорией движения плазмы в звезде. Их происхождение - настоящая загадка.

Тем не менее они похожи на магнитные волны Россби, обнаруженные в 2017 году, хотя и гораздо быстрее. Волны Россби возникают в потоках жидкости во вращающихся системах отсчета, что и происходит на Солнце. За появление этого типа волн отвечает сила Кориолиса - сила, отклоняющая траекторию движущегося объекта на поверхности вращающегося объекта. На Земле, в частности, волны Россби проявляются на очень больших масштабах в виде волнообразных движений атмосферной или океанической циркуляции. Они были открыты в начале 20-го века шведским физиком Карлом-Густавом Россби (1898-1957), который дал им свое имя.

Таким образом, чтобы решить загадку происхождения этих высокочастотных ретроградных волн, исследователи предполагают, что сначала они будут возбуждаться силой Кориолиса. Тогда три механизма могут влиять на волны и изменять их: 1) магнитные поля внутри Солнца; 2) взаимодействие с другими пульсациями на Солнце, называемыми гравитационными волнами; 3) сжатие плазмы, то есть конвекционные движения.

C. Хансон поясняет в своем релизе: "Если бы волны HFR можно было приписать одному из этих трех процессов, открытие дало бы ответ на некоторые нерешенные вопросы о нашей звезде. Однако эти новые волны, похоже, не являются результатом этих процессов, и это интересно, потому что приводит к целому ряду новых вопросов".

Аналогичным образом в 1996 году в океанах были обнаружены высокочастотные волны, распространяющиеся в четыре раза быстрее, чем предсказывала теория, и их оказалось очень трудно объяснить. Изучение сходства между этими двумя явлениями с помощью более детального моделирования может помочь в будущем объяснить загадку этих волн.

C. Хансон приходит к выводу, что, скорее всего, за волны отвечает сочетание магнетизма, гравитации и сжатия. "Очень сложно представить сценарий, когда один из них не играет роли в повышении скорости режима", — говорит он.

Изучая внутреннюю динамику Солнца - с помощью волн - ученые могут лучше оценить потенциальное воздействие Солнца на Землю и другие планеты нашей Солнечной системы. Пока еще не определенная природа этих волн обещает новую физику и понимание солнечной динамики.