Jak bardzo zmieniło się Słońce w ciągu zaledwie dwóch lat

Cykl słoneczny został dość dobrze poznany od 1843 roku, kiedy Samuel Schwabe spędził 17 lat obserwując zmienność plam słonecznych. Od tego czasu regularnie obserwujemy przypływy i odpływy cyklu plam słonecznych co 11 lat. Niedawno należąca do ESA sonda Solar Orbiter regularnie wykonywała zdjęcia Słońca, aby śledzić postęp w miarę zbliżania się do szczytu bieżącego cyklu słonecznego. Dwa niedawno opublikowane zdjęcia z lutego 2021 r. i października 2023 r. pokazują, jak naprawdę sytuacja nabiera tempa, gdy zbliżamy się do maksimum słonecznego.

Słońce to wielka kula plazmy, naładowanego elektrycznie gazu, która ma niesamowitą właściwość polegającą na tym, że może poruszać pole magnetyczne, które może być w niej zawarte. Gdy Słońce się obraca, pole magnetyczne jest z nim ciągnięte, ale ponieważ Słońce obraca się szybciej na równiku niż na biegunach, linie pola zwijają się coraz mocniej.

Pod wpływem tego ogromnego naprężenia linie pola czasami pękają, pękają lub przebijają powierzchnię Słońca, a kiedy to nastąpi, widzimy plamę słoneczną. Te ciemne plamy na widocznej powierzchni Słońca to obszary, w których gęstsze skupiska materii słonecznej uniemożliwiają przepływ ciepła do widocznej powierzchni, powodując powstawanie nieco chłodniejszych, a zatem ciemniejszych plam na Słońcu.

Powolny obrót Słońca i powolne, ale ciągłe zwijanie się linii pola oznacza, że ​​plamy słoneczne stają się coraz liczniejsze w miarę jak pole staje się coraz bardziej zniekształcone. Obserwowane przez lata plamy wydają się powoli migrować z obszarów polarnych do obszarów równikowych w miarę postępu cyklu słonecznego.

Kolaż nowych zdjęć Słońca zarejestrowanych przez Teleskop Słoneczny Inouye, stanowiący niewielką ilość danych słonecznych uzyskanych w pierwszym roku eksploatacji Inouye, w fazie rozruchu. Zdjęcia obejmują plamy słoneczne i ciche obszary Słońca, zwane komórkami konwekcyjnymi. (Źródło: NSF/AURA/NSO)

Aby spróbować zrozumieć ten złożony cykl i odkryć inne tajemnice Słońca, Europejska Agencja Kosmiczna wystrzeliła orbitę Solar Orbiter w dniu 10 lutego 2020 r. Jej misją jest badanie regionów polarnych Słońca, zrozumienie, co napędza 11-letni cykl słoneczny i co napędza nagrzewanie korony, zewnętrznych warstw atmosfery słonecznej.

Opublikowano zdjęcia z Solar Orbiter pokazujące zbliżenia widocznej powierzchni Słońca, fotosfery, która zbliża się do szczytu aktywności słonecznej. Na początku cyklu, przy minimum słonecznym w 2019 r., aktywność była stosunkowo niewielka i było tylko kilka plam słonecznych. Od tego czasu sytuacja powoli się poprawia. Zdjęcie z lutego 2021 r. pokazało w miarę spokojne Słońce, ale zdjęcie wykonane w październiku ubiegłego roku pokazuje, że, ośmielę się powiedzieć, robi się gorąco! Oczekuje się, że maksimum tego cyklu nastąpi w 2025 r., co potwierdza teorie, że okres maksymalnej aktywności może nadejść rok wcześniej.

Zrozumienie cyklu nie jest przedmiotem jedynie kapryśnego zainteresowania naukowego, ważne jest, aby zminimalizować uszkodzenia systemów naziemnych i orbitalnych, ale przede wszystkim zrozumieć wpływ na życie na Ziemi.

Nawet gwiazdy takie jak Słońce mogą w swojej młodości wyzwalać dzikie rozbłyski

Dlaczego młoda gwiazda podobna do Słońca miałaby nagle wywołać niezwykle jasny rozbłysk? Tego właśnie chcą się dowiedzieć astronomowie z Harvard Smithsonian Astrophysical Observatory po tym, jak zauważyli taki wybuch za pomocą czułego teleskopu wykorzystującego fale submilimetrowe. Według Joshuy Bennetta Lovella, lidera zespołu obserwującego aktywność gwiazdy, tego rodzaju rozbłyski są rzadkie w tak młodych gwiazdach, szczególnie na falach milimetrowych. Co się tam dzieje?

Lovell i jego zespół obrali za cel gwiazdę HD 283572 w poszukiwaniu pyłu okołogwiazdowego. Jest dość młoda – mniej więcej w tym samym wieku, w którym znajdowało się Słońce, kiedy powstawały nasze planety. Znajduje się około 400 lat świetlnych od nas i jest około 40 procent masywniejsza od naszej gwiazdy. Podczas wybuchu pojaśniało około stukrotnie w ciągu 9 godzin. Rozbłysk wyzwolił około milion razy więcej energii niż jakiekolwiek rozbłyski milimetrowe obserwowane na jakichkolwiek gwiazdach w pobliżu Słońca.

Według Lovella cała sytuacja była dość nietypowa, ponieważ początkowo nic nie wskazywało na wybuch.

Byliśmy zaskoczeni, widząc niezwykle jasny rozbłysk zwykłej młodej gwiazdy. Rozbłyski na tych długościach fal są rzadkie i nie spodziewaliśmy się zobaczyć niczego poza słabą poświatą pyłu tworzącego planety.

Lovell i jego zespół przez kilka miesięcy kontynuowali obserwacje gwiazdy za pomocą układu submilimetrowego na Mauna Kea na Hawajach. Mieli nadzieję, że znów się rozbłyśnie, ale było cicho.

Nasze odkrycia potwierdzają, że te rozbłyski są rzadkie na falach milimetrowych, ale mogą być niezwykle silne w przypadku gwiazd w tak młodym wieku.powiedział.
HD 283752 i pole gwiazdowe, w którym się znajduje, na podstawie danych z przeglądu optycznego i podczerwonego DSS. Wstawki przedstawiają obrazy Submillimeter Array (SMA) wyśrodkowane na HD 283572 wykonane 14 i 17 stycznia 2022 r. oraz 27 marca 2023 r. Czerwone źródło na środkowym panelu pokazuje rozbłysk obserwowany 17 stycznia. Gwiazda nie została wykryta przez SMA przez pozostałe dwa dni, ani podczas pięciu innych obserwacji SMA, które nie zostały tu pokazane. Źródło: CfA/JB Lovell

Dlaczego młoda gwiazda miałaby rozbłysnąć?
Młode gwiazdy , zwłaszcza czerwone karły , wykazują w trakcie ewolucji aktywność rozbłysków . Jednak gwiazdy podobne do Słońca mogą nie mieć tak wielu intensywnych rozbłysków. Wydarzenie w HD 283572 rodzi pytania dotyczące rodzaju rozbłysków, których doświadczyło Słońce w powijakach. Interesujące byłoby dowiedzieć się, jaki wpływ miały one na resztę Układu Słonecznego.

Jak dotąd zespół uchwycił tylko jedną flarę na HD 283572. To sprawia, że ​​dość trudno jest dokładnie ustalić, dlaczego wybuchła tak gwałtownie.

To prawdziwa zagadka i istnieje szereg mechanizmów, które mogą być w nią zaangażowane. Interakcje z niewidocznymi gwiazdami towarzyszącymi lub planetami albo okresowa aktywność plam gwiezdnych to dwie możliwości, ale nie ulega wątpliwości, jak potężne było to wydarzenie.powiedział członek zespołu Garrett Keating.

Każda potencjalna planeta rozwijająca się w tym układzie zostałaby uderzona intensywną mocą tego rozbłysku. Nie chciałbym tam dorastać!

W artykule opisującym swoją pracę zespół sugeruje, że zmienność milimetrowa, której byli świadkami, może mieć kilka przyczyn. Jednym z pomysłów jest to, że emisje rozbłysków pochodzą z promieniowania emitowanego przez naładowane cząstki poruszające się szybko w polu magnetycznym. Nazywa się to promieniowaniem żyrosynchrotronowym/synchrotronowym. Zwykle pojawia się w szybko zmieniających się polach magnetycznych nad plamami słonecznymi (lub plamami gwiazdowymi na innych gwiazdach). Rozbłysk może również wynikać z działań wywołanych interakcjami z niewidzialnym towarzyszem.

Następne kroki
Każda przyczyna jest możliwa, ale astronomowie muszą przeprowadzić więcej badań gwiazdy, aby ją ustalić. Zatem następnym krokiem będzie wykonanie większej liczby obserwacji tej gwiazdy i innych jej podobnych, aby uchwycić kolejny rozbłysk. Według członkini zespołu, Ramisy Akther Rahman, grupa prowadzi kolejną kampanię wykorzystującą matryce submilimetrowe, mającą na celu badanie gwiazd podobnych do HD 283572.

„Łącząc dane SMA z obserwacjami na dłuższych falach, jesteśmy również w stanie zbadać fizykę rozbłysków i mechanizmy ich emisji. Pracowałem nad tym, korzystając z danych archiwalnych z Very Large Array” – powiedział Rahman, student College of William and Mary i były stażysta letni w Lovell.

Dalsze badania w dużym stopniu przyczynią się do wyjaśnienia przyczyn i częstotliwości rozbłysków, których doświadcza ta gwiazda. Fakt, że jest tak młoda i podobna do Słońca, wskazuje na to, co mogło się wydarzyć na początku historii naszego Układu Słonecznego. Jeśli młode gwiazdy podobne do Słońca rzeczywiście eksplodują w wyniku intensywnej aktywności, rodzi to pytania. Jaki to ma wpływ na planety formujące się wokół gwiazdy? Silne rozbłyski mogą wpływać na atmosfery planet (szczególnie na światy bez silnych pól magnetycznych). Aktywność gwiazd może posunąć się tak daleko, że ograniczy rozwój atmosfery planety. W najgorszym przypadku prawdopodobnie uniemożliwiłoby to nawet utworzenie planety. A jeśli wokół takiej gwiazdy nadal znajduje się tylko dysk pyłowy, czy takie wybuchy mogą wpływać na proces powstawania planet?

W 1872 r. w Ziemię uderzyła burza słoneczna, generując zorze od biegunów po tropiki

Wyobraź sobie burzę słoneczną generującą zorze polarne na całym niebie. Nie, w obecnym cyklu słonecznym nie widzieliśmy jeszcze tak silnych zjawisk. Ale w lutym 1872 roku ludzie na całym świecie donosili, że widzieli wspaniałe zorze północne i południowe. Winowajca? Średniej wielkości grupa plam słonecznych, która uwolniła strumień naładowanych cząstek w koronalnym wyrzucie masy skierowanym w stronę Ziemi.

Podobnie jak w przypadku dzisiejszych silnych burz kosmicznych, wydarzenie to nie tylko wysłało zorzę polarną tańczącą na większości ziemskiego nieba, ale także zakłóciło działanie technologii. Na wiele godzin zakłóciło ono komunikację telegraficzną na podmorskim kablu na Oceanie Indyjskim pomiędzy Bombajem a Adenem. Podobne zakłócenia odnotowano na linii lądowej między Kairem a Chartumem. Zapowiadało to szkody, jakie takie burze mogą wyrządzić dzisiejszym sieciom energetycznym i łączności satelitarnej.

Obecnie naukowcy wiedzą znacznie więcej na temat aktywności słonecznej, która powoduje te burze. Jednak w tamtych czasach nauka o Słońcu była jeszcze w powijakach. Nie mieliśmy globalnych, połączonych systemów komunikacyjnych. Tak wtedy, jak i teraz, niezwykle silne burze słoneczne były stosunkowo rzadkie, ale nadal mogły wyrządzać szkody. Dziś doskonale zdajemy sobie sprawę z zagrożenia dla nowoczesnych technologii. Silne burze słoneczne mogą wyłączyć elektrownie, zatrzymać komunikację, zagrozić światowym systemom finansowym i handlowym oraz zaszkodzić życiu.

Im dłużej zasilanie może być odcięte, tym bardziej społeczeństwo, zwłaszcza te mieszkające w obszarach miejskich, będzie miało trudności z radzeniem sobie. Czy moglibyśmy utrzymać nasze życie bez takiej infrastruktury? Cóż, powiedzmy, że byłoby to niezwykle trudne.powiedział Hisashi Hayakawa, główny autor grupy badającej starożytne burze słoneczne.

Wydarzenie słoneczne z 1872 roku zostało nazwane burzą Chapmana-Silvermana. Niedawno międzynarodowy zespół 22 naukowców, kierowany przez Hayakawę z Uniwersytetu Nagoya w Japonii, Edwarda Clivera z Narodowego Obserwatorium Słonecznego USA i Frédérica Clette’a z Królewskiego Obserwatorium Belgii, zbadał ją bardzo szczegółowo. Ich narzędziami były zapisy historyczne połączone z nowoczesnymi technikami oceny burzy Chapmana-Silvermana od jej początków na Słońcu do jej wpływu na naszą planetę.

Jak znaleźć zapisy burzy z tak odległej przeszłości? Najpierw należy przyjrzeć się zapisom plam słonecznych. Ludzie od dawna szkicują grupy plam słonecznych, a zapisy sięgają dość daleko wstecz. Zespół przeszukał belgijskie i włoskie rejestry plam słonecznych w tym okresie. W przypadku oddziaływań naziemnych wykorzystano pomiary pola geomagnetycznego zarejestrowane w tak różnych miejscach, jak Bombaj (Mumbaj), Tyflis (Tbilisi) i Greenwich. Dało im to wgląd w czasową ewolucję i intensywność burzy. Wreszcie, przeanalizowali setki relacji o zorzach polarnych wywołanych przez burzę, napisanych w różnych językach.

Nasze odkrycia potwierdzają, że burza Chapmana-Silvermana z lutego 1872 roku była jedną z najbardziej ekstremalnych burz geomagnetycznych w najnowszej historii. Jej rozmiar rywalizował z burzą Carringtona z września 1859 roku i burzą NY Railroad z maja 1921 roku. Oznacza to, że teraz wiemy, że świat widział co najmniej trzy superburze geomagnetyczne w ciągu ostatnich dwóch stuleci. Kosmiczne zjawiska pogodowe, które mogą spowodować tak poważne skutki, stanowią ryzyko, którego nie można lekceważyć.powiedział Hayakawa.

Podczas gdy bardzo ekstremalne burze słoneczne są rzadkie, Hayakawa wskazuje, że od połowy XIX wieku miały miejsce trzy superburze podobne do tej z 1872 roku. Słynna burza Carringtona z września 1859 roku (zwana również wydarzeniem Carringtona) była najbardziej intensywną burzą geomagnetyczną w historii. Trwała ponad jeden dzień i stworzyła globalne zorze polarne widoczne niemal na całym świecie. Podobnie jak późniejsza burza Chapmana-Silvermana wpłynęła również na linie telegraficzne.

Szkice włoskiego astronoma Angelo Secchi (Papieski Uniwersytet Gregoriański). Górny obraz przedstawia tarczę Słońca, a dolne obrazy pokazują bardziej szczegółowo grupę plam słonecznych z 1872 roku. Dzięki uprzejmości Osservatorio Astronomico di Roma.

Kolejna bardzo silna burza słoneczna miała miejsce w maju 1921 roku. Nazwana New York Railroad Storm, trwała przez trzy dni w wyniku niezwykle silnego koronalnego wyrzutu masy ze Słońca. Prądy elektryczne wzbudzone w naszej atmosferze przez burzę wywołały kilka pożarów, w tym jeden w pobliżu nowojorskiego Grand Central Terminal. Stąd też wzięła się nazwa burzy związana z koleją. Podobnie jak w przypadku innych silnych burz geomagnetycznych, tej towarzyszyły wspaniałe zorze polarne. Wpłynęła również na usługi telegraficzne i dalekosiężne sygnały radiowe.

Hayakawa zasugerował, że nasze zaawansowane technologicznie społeczeństwa mają szczęście, że nie doświadczyły takich wydarzeń.

Mamy szczęście, że ominęły nas takie superburze w dzisiejszych czasach. Z drugiej strony, wystąpienie trzech takich superburz w ciągu sześciu dekad pokazuje, że zagrożenie dla współczesnego społeczeństwa jest realne. Dlatego zachowanie i analiza zapisów historycznych jest ważna dla oceny, zrozumienia i złagodzenia wpływu takich wydarzeń.powiedział.

Obecnie znajdujemy się w 25 cyklu słonecznym, który w ciągu najbliższego roku osiągnie maksimum słoneczne. Kilka wybuchów Słońca rozświetliło nasze niebo w ciągu ostatnich kilku miesięcy. Te zorze polarne pojawiły się poza polarnymi i północno-południowymi regionami planety. W miarę zbliżania się maksimum słonecznego możemy spodziewać się większej aktywności Słońca na Ziemi. Czy doświadczymy ekstremalnych burz słonecznych? Nie sposób tego przewidzieć.

Japoński rysunek zorzy wywołanej wydarzeniem słonecznym z 1872 roku. Dzięki uprzejmości Shounji Temple.

Wystarczy jeden bardzo silny wybuch słoneczny z grupy plam słonecznych (i nie musi to być duża grupa) skierowany w naszym kierunku. Na szczęście mamy możliwość śledzenia tych wybuchów, gdy tylko opuszczą Słońce. Naukowcy mogą wcześnie ostrzegać o tych burzach słonecznych, aby operatorzy satelitów, właściciele sieci i inne firmy technologiczne mogły podjąć działania w celu uniknięcia największych szkód.

Parker wykonuje najbliższy i najszybszy przelot w pobliżu Słońca

Parker Solar Probe to mała sonda, który po prostu porusza się i przelatuje obok Słońca. 27 września wykonał swoje 17. bliskie podejście i prześlizgnął się zaledwie 7,26 miliona kilometrów nad warstwą “powierzchniową” Słońca (zwaną fotosferą).

To tylko najnowsze osiągnięcie sondy, która stała się również pierwszym w historii statkiem kosmicznym, który przeleciał przez koronalny wyrzut masy – i żył, aby opowiedzieć historię. To przejście CME miało miejsce 5 września 2022 roku, podczas 13. podejścia do Słońca.

Najnowsze osiągnięcie sondy zostało ustanowione przez asystę grawitacyjną przelot w pobliżu Wenus pod koniec sierpnia. Podczas największego zbliżenia sonda Parker Solar Probe poruszała się z prędkością 635 266 kilometrów na godzinę. Zarówno bliskie zbliżenie, jak i spotkanie CME to tylko dwa z wielu najważniejszych punktów misji, która planuje kontynuować badania Słońca i środowiska słonecznego do połowy 2025 roku. Jak dotąd statek kosmiczny jest w całkiem niezłym stanie, biorąc pod uwagę to, czego doświadcza podczas misji. Parker robi to wszystko w temperaturze do 1400 °C. Jego główne instrumenty są chronione przez ekranowanie, które pozwala im działać w środowisku o temperaturze pokojowej zbliżonej do normalnej.

Parker i jego słoneczne osiągnięcia
Naukowcy zajmujący się Słońcem wysłali Parkera, aby pomógł im zrozumieć niektóre z najbardziej zagadkowych aspektów aktywności naszej gwiazdy. Jego głównym celem jest korona słoneczna. Chcą dowiedzieć się, co ogrzewa koronę, śledząc przepływ energii, która ogrzewa tę najwyższą część atmosfery słonecznej. Ponadto chcą zrozumieć, w jaki sposób i dlaczego wiatr słoneczny przyspiesza, gdy opuszcza Słońce.

Artystyczna wizja wiatru słonecznego ze Słońca (po lewej) oddziałującego z ziemską magnetosferą (po prawej). Parker Solar Probe bada ten wiatr u jego źródła. Źródło: NASA

Ponieważ Słońce jest w dużej mierze plazmą, chcą zrozumieć jego strukturę i pola magnetyczne, które istnieją i wpływają na przepływ plazmy ze Słońca przez wiatr słoneczny. Wreszcie, misja jest wyposażona do badania energetycznych cząstek płynących ze Słońca i określenia ich mechanizmu transportu.

O tym koronalnym wyrzucie masy
My na Ziemi doświadczamy koronalnych wyrzutów masy, gdy przechodzą one od Słońca w drodze przez Układ Słoneczny. Te potężne zdarzenia wyrzucają ogromne masy plazmy przez przestrzeń kosmiczną, poruszając się z prędkością od 100 do 3 kilometrów na sekundę. Wiele CME nie napotyka naszej planety, ale kiedy to robią, skręcają i rozciągają pole magnetyczne naszej planety. Rezultaty mogą wahać się od pięknych pokazów zorzy polarnej do zakłóceń komunikacji i sieci elektrycznych.

Fizycy słoneczni chcieliby być w stanie przewidzieć te niesamowite burze słoneczne. Od dawna chcieli zmierzyć siły, które napędzają CME. W szczególności chcą wiedzieć, co przyspiesza naładowane cząstki w eksplozjach do dużych prędkości. Mają nadzieję, że Parker może dostarczyć im danych na temat tego, co dzieje się na Słońcu w miarę budowania.

5 września 2022 roku Parker okrążał drugą stronę Słońca. Przeleciał zaledwie około 6 miliardów kilometrów nad powierzchnią. Wtedy wykrył CME w miarę jego budowania. Później statek kosmiczny przeszedł przez strukturę wyrzutu, doświadczył jego krawędzi natarcia, a następnie opuścił materiał. Był to dość ekstremalny CME i pozwolił Parkerowi zebrać dane o prędkości i gęstości fali uderzeniowej. Na szczęście ten nie uderzył w Ziemię. Gdyby jednak tak było, zdarzenie poważnie uszkodziłoby systemy komunikacyjne i prawdopodobnie spowodowałoby powszechne przerwy w dostawie prądu.

To najbliższy Słońcu CME, jaki kiedykolwiek zaobserwowaliśmy. Nigdy nie widzieliśmy wydarzenia tej skali na taką odległość.powiedział Nour Raouafi, naukowiec projektu Parker Solar Probe w Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) w Laurel w stanie Maryland, który zbudował statek kosmiczny w ramach harmonogramu i budżetu NASA, a obecnie zarządza i obsługuje misję.

Parker i Słońce
Aby uzyskać informacje naukowe do zrozumienia korony i CME, naukowcy potrzebowali statku kosmicznego, który mógłby zasadniczo przelecieć przez Słońce – a przynajmniej jego koronę. Tu właśnie wkracza Parker. Osłona termiczna, grzejniki pokładowe i system ochrony termicznej chronią go przed CME i wiatrem słonecznym. Podczas CME jedynym efektem, jaki odczuwał, był niewielki “moment obrotowy” – niewielka akcja obrotowa, którą natychmiast kompensował.

Przez resztę tego roku i do 2024 roku Parker będzie podążał za bliskimi orbitami wokół Słońca. Pod koniec 2024 roku odbędzie się ostatni przelot w pobliżu Wenus, który wyznaczy trzy ostatnie przejścia peryhelium na 2025 rok. W sumie naukowcy planują 24 przejścia peryhelium przed zakończeniem misji. Dane, które dostarcza, powinny otworzyć nowe okna wiedzy na temat wiatru słonecznego i procesów, które uruchamiają go w Układzie Słonecznym.