Можно было бы ожидать, что каждая широта его поверхности будет вращаться с более или менее одинаковой скоростью, но нет. Если бы вы могли стоять, например, на экваторе Солнца, вам потребовалось бы примерно 24 земных дня, чтобы совершить полный оборот. Если бы вы встали на любой из полюсов, вам потребовалось бы около 34 дней, чтобы вернуться в исходное положение.
Это известно как дифференциальное вращение, и оно долгое время озадачивало ученых.
Это становится еще более загадочным по мере того, как мы все глубже и глубже проникаем в недра Солнца. Гелиосейсмологические наблюдения показывают, что это явление не ограничивается верхними слоями атмосферы — оно простирается примерно на 200 000 километров через всю зону солнечной конвекции.
Теперь команда под руководством физика Солнца Юто Бекки из Института исследований Солнечной системы Макса Планка (MPS) нашла разгадку. Дифференциальное вращение, по-видимому, сдерживается долгопериодическими колебаниями звуковых волн в зоне конвекции, которые можно обнаружить на поверхности как вихревые движения вокруг полюсов. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
Солнце постоянно «гудит». Видимый поверхностный слой, известный как фотосфера, наполнен миллионами мод акустических колебаний, поднимающихся и опускающихся с периодами примерно пять минут.
Мы знали об этих режимах некоторое время, но всего несколько лет назад группа исследователей под руководством директора MPS Лорана Жизона обнаружила новый тип акустических колебаний. Используя данные солнечных наблюдений за несколько лет, они обнаружили глобальный режим колебаний с гораздо более длительным периодом в 27 дней.
И было еще кое-что. Эти гигантские звуковые волны, пробегающие по Солнцу, похоже, каким-то образом связаны с дифференциальным вращением Солнца.
Еще в 2021 году, когда было опубликовано первоначальное открытие, исследователи полагали, что долговременные режимы колебаний основаны на дифференциальном вращении. Но при более тщательном расследовании Бекки и его коллеги обнаружили, что отношения развиваются в обе стороны. Дифференциальное вращение ограничивается гигантскими звуковыми волнами.
Чтобы исследовать взаимосвязь между ними, он и его коллеги провели трехмерное численное моделирование, исследуя эффекты колебаний. Исследователи обнаружили, что моды в высоких широтах – те, которые окружают полюса – оказывают глубокое влияние на поведение Солнца, перенося тепло от полюсов в экваториальную область.
Поскольку на полюсах теплее, чем на экваторе, этот перенос тепла ограничивает разницу температур между двумя широтными областями. Это означает, что контраст между полюсами и экватором не может превышать 7 Кельвинов.
Хотя эта разница невелика, если говорить о шаре из горячей плазмы, вращающемся при температуре в тысячи градусов, именно этот температурный диапазон в конечном итоге контролирует дифференциальное вращение.
«Эта очень небольшая разница температур между полюсами и экватором контролирует баланс углового момента на Солнце и, таким образом, является важным механизмом обратной связи для глобальной динамики Солнца», — объясняет Гизон.
Хотя эти процессы в чем-то отличаются, они похожи на то, как нестабильность атмосферы может вызвать гигантские циклонические штормы на Земле. И хотя еще остается загадка, которую предстоит разгадать, связь между процессами может помочь нам ее решить. Моды высокоширотных колебаний играют важную роль в управлении дифференциальным вращением Солнца. И, возможно, та же динамика наблюдается и у других звезд.
Солнце — это большой старый огненный шар в небе, полный тайн и загадок. Постепенно мы приближаемся к их решению.
