В конце 1980-х годов учёные поняли, что могут изучить внутренние свойства Солнца, наблюдая за звуковыми волнами, которые резонируют внутри него. Этот метод, называемый гелиосейсмологией, выявил таинственно тонкий динамический слой внутри Солнца, который стал известен как тахоклин.
Тахоклин
Тахоклин чрезвычайно тонок, но считается, что он играет важную роль в формировании магнитных свойств Солнца. В течение многих лет учёные теоретизировали, вычисляли и моделировали эти слои Солнца, но вопрос о динамике, которая приводит к существованию тахоклина, оставался чрезвычайно сложной математической головоломкой.
Прорыв в физике Солнца
Теперь исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Крузе создали первые самосогласованные модели внутренней части Солнца, которые включают соответствующую динамику и спонтанно производят тахоклин. Это стало важным шагом вперёд в солнечной физике.
Их модели были созданы с использованием самого мощного суперкомпьютера NASA, а результаты опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.
Значение тахоклина для Земли
Для нас на Земле тахоклин важен из-за его предполагаемой роли в формировании магнитных полей Солнца. Эти поля вызывают такие явления, как солнечные вспышки и выбросы корональной массы — вспышки активности на Солнце, которые могут разрушить глобальные электросети и нарушить работу наших спутников.
Для надёжного прогнозирования этих событий необходимо точное моделирование внутренней части Солнца, особенно тахоклина.
Понимание магнитных свойств других звёзд
Понимание свойств тахоклина нашего Солнца может дать представление о магнитной активности других звёзд. Учёные считают, что магнитные свойства звезды могут иметь решающее значение для её способности поддерживать другие планеты, на которых может существовать жизнь.
«Мы знаем много информации о Солнце, но Солнце — это всего лишь одна звезда», — сказал Лорен Матильски, научный сотрудник Калифорнийского университета в Санта-Крузе и первый автор исследования.
Исследование тахоклина
Матильски, его наставник Николас Браммелл, профессор прикладной математики в Школе инженерии Баскина, и бывшая аспирантка Калифорнийского университета в Санта-Крузе Лидия Корре, которая сейчас является исследователем в Университете Колорадо в Боулдере, провели исследование тахоклина в рамках проекта Consequences of Fields and Flows in the Interior and Exterior of the Sun (COFFIES) DRIVE Science Center.
Эта большая межведомственная группа, значимой частью которой является Калифорнийский университет в Санта-Крузе, стремится понять солнечное «динамо» — физический процесс, который создаёт магнитные поля Солнца.
Роль тахоклина в солнечном динамо
Тахоклин играет важную роль в солнечном динамо, поскольку он разделяет две различные области Солнца. Ниже тахоклина находится зона излучения, которая составляет 70% внутреннего пространства Солнца по радиусу и вращается жёстко, как твёрдый бейсбольный мяч.
Выше тахоклина лежит конвективная зона, которая составляет 30% внешнего пространства Солнца по радиусу и вращается дифференциально с характерной текучестью газа. Между этими двумя зонами лежит чрезвычайно тонкий тахоклин, чьи большие изменения скорости, вероятно, играют ключевую роль в динамо.
«Глядя на динамику изначально, вы не ожидали бы, что тахоклин будет таким тонким, потому что есть несколько процессов, которые имели бы тенденцию распространять тахоклин, если бы их предоставили самим себе — так что большая загадка всегда заключается в вопросе: «почему этот очень, очень узкий слой?» — сказал Браммелл.
Моделирование динамики магнитных жидкостей
В течение многих лет исследователи пытались решить математические уравнения магнитной гидродинамики для солнечной геометрии, чтобы подтвердить прогнозы и модели, связанные с тахоклином.
Но Солнце — это очень мощный и турбулентный газовый шар, что означает наличие огромного диапазона масштабов, связанных с его движениями, от очень маленьких (скажем, 10 метров) до очень больших (скажем, 1 миллион километров). Аналогично существует огромный диапазон соответствующих временных масштабов. Это делает Солнце чрезвычайно сложным для моделирования, и прошлые попытки не смогли воспроизвести существенные реалистичные динамические процессы, происходящие во внутренней части Солнца.
Несмотря на эти трудности, Матильски, по его собственным словам, «приветствует хорошую задачу». Он и Корре взялись за масштабную задачу по созданию «геройских» расчётов — чрезвычайно сложных и масштабных математических симуляций, которые более точно моделируют физические процессы, происходящие в солнечном параметрическом режиме.
Результаты моделирования
Их модели отдают предпочтение процессу, называемому «радиационное распространение», который со временем имеет тенденцию делать тахоклин толще, по сравнению с другим процессом утолщения, который, как считается, незначителен на Солнце, называемым «вязкое распространение».
«Лорен и Лидия проводили очень болезненные, масштабные симуляции, где мы делаем симуляции достаточно большими и сложными, чтобы мы могли сделать вязкость менее приоритетной по сравнению с гораздо более реалистичным процессом радиационного распространения», — сказал Браммелл.
Используя суперкомпьютер NASA Ames Pleiades в течение десятков миллионов часов суперкомпьютерного времени в течение 15 месяцев для питания своих симуляций, они смогли создать, впервые, полностью самосогласованную модель того, как работает тахоклин.
Без подсказки специально сделать это их модели конвективной и радиационной зон спонтанно произвели тахоклин. Интересно, что силы, созданные динамо, работающим в конвективной зоне, были ключом к поддержанию тонкости тахоклина в этой модели.
«Существует синергия, потому что считается, что тахоклин играет фундаментальную роль в возникновении процесса динамо. Теперь кажется, что может быть верно и обратное, в том смысле, что магнитное поле от динамо может быть причиной существования тахоклина», — сказал Матильски.