Новые наблюдения и модели показывают связь между высокоширотными волнами внутри Солнца и различной скоростью вращения между солнечным экватором и полюсами.
Солнце представляет собой массу раскаленного газа, главным образом в форме водородной плазмы. И его полюса движутся медленнее, чем экватор: экватор вращается один раз каждые 24,5 дня, тогда как полярные регионы вращаются один раз в 35 дней.
Исследователи точно измерили это явление, известное как дифференциальное вращение, используя поток плазмы во внешних слоях Солнца, но теоретического понимания того, почему оно происходит, не хватает.
«Мы не до конца понимаем дифференциальное вращение, и численные модели не способны воспроизвести его на основе первых принципов», — сказал Лоран Жизон, физик Солнца из Института Макса Планка по исследованию солнечной системы в Геттингене, Германия.
Первоначально исследователи небезосновательно предполагали, что полюса будут вращаться быстрее, чем экватор, подобно тому, как фигурист вращается быстрее, когда его руки вытянуты. Но вращение Солнца ведет себя противоположным образом. Более продвинутые модели гидродинамики могут объяснить более быструю экваториальную область, но предсказывают большую разницу в скорости между полюсом и экватором, чем на Солнце.
Жизон и его коллеги предложили возможное объяснение: относительно медленно движущиеся спиральные волны, сконцентрированные в высоких широтах, переносят тепло от полюсов к экватору. Согласно их теоретической модели, эти так называемые инерционные моды выравнивают условия в зоне конвекции, области непосредственно под солнечной поверхностью, что, в свою очередь, нивелирует разницу в скорости вращения по всему Солнцу.
Основной причиной для изучения дифференциального вращения является его связь с солнечным динамо, которое управляет 11-летним циклом магнитного запутывания, вызывающего активность солнечных пятен и солнечные бури.
«Около 98% физиков Солнца — дерматологи, изучающие кожу Солнца», — сказал Марк Миш, физик Солнца из Университета Колорадо в Боулдере, не принимавший участия в этом проекте.
Понимание дифференциального вращения предполагает изучение внутренней части Солнца, что можно сделать с помощью гелиосейсмологии — наблюдения и моделирования звуковых волн, движущихся через зону конвекции. Эти вибрации раскрывают информацию о внутренней структуре нашей звезды, так же, как землетрясения на Земле, и могут быть отображены с помощью наземных обсерваторий, таких как Группа глобальной сети колебаний (GONG), или космических кораблей, таких как Обсерватория солнечной динамики НАСА (SDO).
Жизон и его коллеги использовали данные этих обсерваторий, чтобы по-новому взглянуть на проблему дифференциального вращения. Их данные охватывают 2017–2021 годы, когда магнитная активность Солнца была близка к самой низкой, что уменьшило сложности, которые магнитные поля Солнца создают при моделировании. Изучение периодов, более длительных, чем те, которые обычно изучаются в гелиосейсмологии, также позволило им изолировать инерционные моды от любых магнитных эффектов.
Медленно движущиеся волны в их модели кружатся со скоростью от 1,1 до 3,8 метров в секунду (от 2,5 до 8,5 миль в час) — это сравнимо со скоростью ходьбы или бега человека и намного меньше, чем впечатляющие звуковые волны, которые доминируют в гелиосейсмических данных.
В высоких широтах инерционные моды образуют спирали плазмы, «рукава» спиралей закручиваются в направлении вращения. Моделирование всего этого потребовало трехмерной математической обработки, чтобы учесть поведение конвекционной зоны, а также широтные и меридиональные потоки.
«Очень важно иметь более длинное окно наблюдения, чтобы следить за этими [инерционными модами] как можно дольше», — сказал Жизон, добавив, что эти звуковые волны также имеют очень большую длину волны в пространственном смысле, что усложняет их идентификацию. «Нам нужны данные за многие годы, чтобы установить, что мы наблюдаем глобальный режим колебаний».