Сергей Язев - Лекции о Солнце

Кроме того, была получена зависимость скорости звука от расстояния до центра Солнца. А поскольку уже давно известно, что скорость звука в среде зависит от ее температуры, эти данные помогли уточнить, как изменяется температура по мере погружения в недра Солнца. Температура – один из основных параметров стандартной модели Солнца, поэтому сравнение расчетных (в рамках модели) значений температуры на разной глубине со значениями, которые получены независимым методом гелиосейсмологии, оказалось чрезвычайно полезным для модели.

Многие свойства Солнца зависят от того, как вращается светило на разных глубинах. Гелиосейсмология позволила определить скорость вращения на разных глубинах и на разных широтах, что сразу позволило отбросить некоторые модели как неверные и дало дополнительные подтверждения другим моделям. При этом удалось выяснить, что эффект дифференциальности вращения начинается со дна конвективной зоны! Глубже этого уровня Солнце вращается недифференциально, почти как твердое тело. Метод позволил восстановить траектории крупномасштабных потоков плазмы в недрах конвективной зоны.

Важный вывод – уточнение концентрации гелия на Солнце. Выше было указано, что спектральные методы не позволяют это сделать непосредственно. Но это можно сделать с помощью гелиосейсмологии! Дело в том, что по мере погружения в недра Солнца температура растет (гелиосейсмологи помогли показать, как именно). С ростом температуры увеличивается степень ионизации гелия. Рост давления с глубиной также увеличивает степень ионизации гелия, что, в свою очередь, немного уменьшает упругость вещества. Акустические волны, проходя сквозь эти слои, из-за этого немного меняют свои свойства – скорость звука и частоту. Если зафиксировать этот эффект (что и было сделано!), по его величине можно рассчитать содержание гелия. Оказалось, что оно несколько меньше, чем это предсказывалось ранними вариантами стандартной модели: 23,5–26,5 % по массе вместо 27–29 %.

Таким образом, благодаря гелиосейсмологии был уточнен химический состав Солнца. В поверхностных слоях (в конвективной зоне) доля водорода – примерно 73,2 %, доля гелия – 24,8 %, а доля других элементов – 2 %. Этот состав остается таким же во всей конвективной зоне (здесь вещество активно перемешивается во всей толще). По мере погружения в лучистую зону доля водорода постепенно падает, доля гелия растет. В самом центре Солнца доля водорода падает до 35,5 %! Впрочем, надо заметить, что надежность метода уменьшается по мере приближения к центру светила.

Помимо выяснения многих параметров внутреннего строения Солнца, гелиосейсмология оказалась очень важным критерием для оценки правильности теорий Солнца. Не секрет, что проблема солнечных нейтрино в свое время вызвала к жизни массу альтернативных гипотез о природе светила. Гелиосейсмология, проникая в глубины нашей звезды, сразу отсекла целый ряд идей, которые оказались несовместимыми с полученными данными.

Большой вклад в развитие исследований в области гелиосейсмологии и в привлечение всеобщего внимания к этому методу внесли ученые Крымской астрофизической обсерватории под руководством выдающегося советского гелиофизика, академика Андрея Борисовича Северного (1913–1987).

В 1976 году сотрудники обсерватории, а затем и их коллеги из Бирмингемского университета в Англии опубликовали результаты сенсационных наблюдений обнаруженных глобальных пульсаций Солнца с периодом 160,1 минуты и амплитудой 20 километров. Амплитуда изменений скорости смещения поверхности составила всего около 0,5 м/с. В 1977 году те же колебания зафиксировали в Стэнфордском университете (США). В 1980 году открытие было независимо подтверждено франко-американской экспедицией, проводившей наблюдения в Антарктиде. На протяжении ряда лет колебания непрерывно регистрировались и в Крыму, и в Стэнфорде. Удивительным явлением была поразительная стабильность колебаний: их измеряли несколько лет подряд, были периоды, когда колебания не удавалось обнаружить, потом они возникали снова. Но фаза колебаний сохранялась с высокой точностью, как будто таинственный сверхстабильный генератор раскачивал все Солнце.

Попытка объяснить феномен этих колебаний столкнулась с рядом трудностей. С точки зрения теории, такой период вообще не должен существовать! Исходя из размеров и стандартной модели строения Солнца, чисто радиальные колебания всего светила должны были иметь период не больше 56 минут. Если колебания не радиальны (а наблюдения говорили, что они-таки практически радиальны!), можно было предположить, что они, например, носят квадрупольный характер (то есть сжатие и вытягивание происходит поочередно в двух взаимно перпендикулярных направлениях). Но оценки показали, что для всех физически приемлемых моделей внутреннего строения Солнца период не должен превышать 131 минуты. Кроме того, по всем расчетам, помимо 160-минутного периода должны были наблюдаться целый ряд значимых кратных периодов, но их обнаружить не удалось! Долгопериодные колебания за счет приливных воздействий со стороны, например, других звезд, проходивших вблизи Солнца в прошлом, должны были сравнительно быстро (за миллион лет) затухнуть. Утверждать, что 160 минут – это период стремительного вращения ядра Солнца, было сложно. Слишком велико различие между периодом в 160 минут (2 часа 40 минут) и почти месяцем (период вращения поверхностных слоев Солнца).

Крымские исследователи утверждают, что период 160,01 минуты на Солнце стабильно наблюдался до 1982 года, после чего этот период исчез, уступив место пульсациям с чуть меньшим периодом – 159,97 минуты.

В общем, 160-минутные пульсации Солнца стали серьезной проблемой для гелиофизиков.

Дальнейшие исследования проблемы привели к еще более странным и сенсационным результатам. В 1990-е годы крымский астрофизик В. А. Котов и его московский коллега В. М. Лютый объявили, что подобные колебания яркости удалось обнаружить у множества других космических объектов, помимо Солнца, включая тысячи тесных систем из двойных звезд и даже ядра активных галактик. Был сделан далеко идущий вывод, что 160-минутный период характерен для самых различных объектов во Вселенной, и значит, он отражает какие-то глубинные и фундаментальные свойства самой Вселенной!

Самое непонятное заключалось в следующем. Исследованные галактики находятся на огромных расстояниях от нас. Как известно, наша Вселенная расширяется, и чем дальше какая-либо галактика от нас находится, тем быстрее она от нас удаляется. За счет эффекта Доплера наблюдаемый период колебаний в таких удаленных объектах должен был изменяться в зависимости от расстояния, но этого почему-то не происходит! Крымские астрофизики считают, что причина заключается в неких фундаментальных свойствах Вселенной, к которым мы только сейчас начинаем приближаться на своем пути познания мира.