Солнечный минимум традиционно считают спокойной фазой жизни звезды. В такие периоды почти исчезают пятна, магнитные поля заметно ослабевают, а поверхность выглядит относительно ровной. Однако длительные наблюдения показывают: за внешним спокойствием прячутся тонкие изменения внутри звезды. Астрономы, изучившие более сорока лет данных, пришли к выводу, что структура Солнца меняется от одного минимума к другому.
Исследование подготовили специалисты Бирмингемского университета и Йельского университета. В работе использован архив сети Birmingham Solar-Oscillations Network, BiSON. Сеть объединяет шесть наземных телескопов в разных регионах мира и позволяет наблюдать Солнце почти без пауз. Непрерывность важна для регистрации очень слабых колебаний звезды, которые трудно выловить в коротких сериях или одиночных измерениях.
Авторы сосредоточились на четырёх последовательных периодах солнечного минимума между циклами активности 21–25. Солнечный цикл длится около 11 лет: активность растёт, достигает максимума и затем спадает к минимуму. Именно тихие фазы удобны для анализа, потому что сильные магнитные явления меньше «шумят» в данных и не маскируют тонкие изменения в поверхностных слоях.
Главным инструментом стала гелиосейсмология - метод, который позволяет судить о строении Солнца по его колебаниям. Внутри звезды постоянно бегут акустические волны. Часть волн удерживается внутри солнечной плазмы и заставляет Солнце едва заметно пульсировать. Телескопы фиксируют эти пульсации по изменениям движения поверхности, а затем по набору колебательных мод восстанавливают условия под фотосферой.
В работе впервые сравнили четыре подряд идущих минимума именно изнутри, по характеристикам таких колебаний. Исследователи искали несколько независимых признаков, которые реагируют на изменения состояния вещества. Один из главных маркеров, на которые обращали внимание - акустическая особенность, связанная с двойной ионизацией гелия. В определённом слое внешних оболочек атомы гелия теряют второй электрон. Процесс меняет свойства плазмы и скорость распространения звука, из-за чего в спектре колебаний появляется характерная аномалия.
Параллельно команда отслеживала изменения скорости звука во внешних слоях и сравнивала наблюдения с расчётами солнечных моделей. В моделях слегка меняли внутренние условия, чтобы понять, какие сдвиги лучше всего объясняют картину в данных.
Сравнение четырёх солнечных минимумов показало, что один из них стоит особняком. Речь про минимум 2008–2009 годов, который пришёлся на границу между 23-м и 24-м циклами. Астрономы и раньше выделяли этот период как необычно долгий и тихий по внешним признакам, почти без пятен и с ослабленным магнитным фоном. Гелиосейсмология добавила важное уточнение: в те годы отличалась не только картинка на поверхности, но и состояние слоёв под поверхностью.
В данных о колебаниях Солнца сильнее проявилась особенность, связанная со слоем, где гелий переходит в состояние двойной ионизации. Авторы интерпретируют такой сдвиг как признак того, что внешние оболочки Солнца в тот минимум имели немного другое устройство. Дополнительно расчёты показали повышенную скорость звука в наружных слоях. Обычно такая картина означает, что газ там был более жёстким из-за более высоких давления и температуры, а вклад магнитных полей, наоборот, оказался меньше, чем в другие минимумы.
Результат важен не только для описания внутренней погоды Солнца. Авторы связывают работу с задачей прогнозирования следующих циклов активности. Космическая погода включает вспышки и выбросы, которые воздействуют на околоземное пространство. Радиосвязь и GPS могут нарушиться из-за сбоев в энергосетях и повреждений спутников связи. Поведение светила в годы минимума влияет на то, как быстро и насколько сильно нарастает активность после паузы, поэтому наблюдения внутренних изменений в спокойные периоды помогают лучше понимать будущую динамику.
BiSON даёт почти непрерывный мониторинг солнечных колебаний и позволяет видеть изменения, которые проявляются только на масштабах десятилетий. Такой подход, по мнению исследователей, пригодится и за пределами Солнечной системы. Европейская миссия PLATO должна наблюдать звёзды солнечного типа, и методы звёздной сейсмологии, проверенные на Солнце, можно будет применить к другим космическим объектам.