Zróżnicowany wzór rotacji Słońca od dziesięcioleci intryguje naukowców: podczas gdy bieguny obracają się w ciągu około 34 dni, średnie szerokości geograficzne obracają się szybciej, a obszar równikowy potrzebuje tylko około 24 dni na pełny obrót. Ponadto postępy dokonane w ostatnich latach w heliosejsmologii, tj. badaniu wnętrza Słońca za pomocą słonecznych fal akustycznych, wykazały, że ten profil rotacji jest prawie stały w całej strefie konwekcji. Ta warstwa Słońca rozciąga się od głębokości około 200 000 kilometrów do widocznej powierzchni Słońca i jest domem dla gwałtownych wstrząsów gorącej plazmy, które odgrywają kluczową rolę w napędzaniu magnetyzmu i aktywności słonecznej.
Chociaż teoretycznieWnętrze Słońca nie obraca się z tą samą prędkością na wszystkich szerokościach geograficznych. Fizyczne pochodzenie tej rotacji różnicowej nie jest w pełni poznane. Zespół naukowców z Instytutu Badań Układu Słonecznego Maxa Plancka (MPS) w Niemczech dokonał przełomowego odkrycia. Jak zespół donosi dzisiaj w czasopiśmie Science Advances, długoterminowe oscylacje Słońca odkryte przez naukowców z MPS w 2021 roku odgrywają kluczową rolę w kontrolowaniu wzorca rotacji Słońca. Oscylacje długookresowe są analogiczne do niestabilnych baroklinicznie fal w atmosferze ziemskiej, które kształtują pogodę. Na Słońcu oscylacje te przenoszą ciepło z nieco cieplejszych biegunów do nieco chłodniejszego równika. Aby uzyskać nowe wyniki, naukowcy zinterpretowali obserwacje z Obserwatorium Dynamiki Słońca należącego do NASA, wykorzystując najnowocześniejsze symulacje numeryczne wnętrza Słońca. Odkryli, że różnica temperatur między biegunami a równikiem wynosi około siedmiu stopni.
Modele od dawna postulowały niewielką różnicę temperatur między biegunami słonecznymi a równikiem, aby utrzymać wzór rotacji Słońca, ale okazało się to niezwykle trudne do zmierzenia. W końcu obserwacje muszą „przejrzeć” tło głębokiego wnętrza Słońca, którego temperatura sięga milionów stopni. Jednak, jak pokazują naukowcy z MPS, obecnie możliwe jest określenie różnicy temperatur na podstawie obserwacji długookresowych oscylacji Słońca.
W swojej analizie danych obserwacyjnych uzyskanych za pomocą heliosejsmicznego i magnetycznego obrazu (HMI) znajdującego się na pokładzie obserwatorium dynamiki słonecznej NASA w latach 2017–2021 naukowcy zwrócili uwagę na globalne oscylacje Słońca o długich okresach, które można dostrzec jako ruchy wirowe na powierzchni Słońca. Naukowcy z MPS ogłosili odkrycie tych oscylacji bezwładnościowych trzy lata temu. Wśród obserwowanych trybów szczególnie wpływowe okazały się tryby występujące na dużych szerokościach geograficznych, z prędkościami dochodzącymi do 70 km na godzinę.
Aby zbadać nieliniowy charakter tych oscylacji na dużych szerokościach geograficznych, przeprowadzono zestaw trójwymiarowych symulacji numerycznych. W ich symulacjach oscylacje na dużych szerokościach geograficznych przenoszą ciepło z biegunów Słońca do równika, co ogranicza różnicę temperatur między biegunami Słońca a równikiem do mniej niż siedmiu stopni. „Ta bardzo mała różnica temperatur między biegunami a równikiem kontroluje równowagę momentu pędu w Słońcu, a zatem stanowi ważny mechanizm sprzężenia zwrotnego dla globalnej dynamiki Słońca” – mówi dyrektor MPS, prof. dr Laurent Gizon.
W swoich symulacjach naukowcy po raz pierwszy opisali kluczowe procesy w całkowicie trójwymiarowym modelu. Poprzednie wysiłki ograniczały się do podejść dwuwymiarowych, które zakładały symetrię względem osi obrotu Słońca. „Dopasowanie nieliniowych symulacji do obserwacji pozwoliło nam zrozumieć fizykę długookresowych oscylacji i ich rolę w kontrolowaniu różnicowej rotacji Słońca” – mówi postdoc w MPS i główny autor badania, dr Yuto Bekki.
Oscylacje Słońca na dużych szerokościach geograficznych są napędzane przez gradient temperatury w podobny sposób jak pozatropikalne cyklony na Ziemi. Fizyka jest podobna, chociaż szczegóły są inne: „Na Słońcu biegun słoneczny jest o około siedem stopni cieplejszy niż równik, co wystarczy, aby wytworzyć przepływy o prędkości około 70 kilometrów na godzinę przez dużą część Słońca. Proces ten jest nieco podobne do napędzania cyklonów” – mówi naukowiec MPS, dr Robert Cameron.
Badanie fizyki głębokiego wnętrza Słońca jest trudne. Badanie to jest ważne, ponieważ pokazuje, że długookresowe oscylacje Słońca są nie tylko użytecznymi sondami wnętrza Słońca, ale odgrywają aktywną rolę w jego działaniu. Przyszłe prace, które będą prowadzone w kontekście grantu synergicznego ERBN WHOLESUN i Centrum Badań Wspólnych DFG 1456 Mathematics of Experiments, będą miały na celu lepsze zrozumienie roli tych oscylacji i ich potencjału diagnostycznego.