Ηλιοσεισμολογία

Η ηλιοσεισμολογία (helioseismology) είναι η μελέτη της διαδόσεως των υλικών κυμάτων πιέσεως στον Ήλιο. Παρόμοια στη φύση τους με τα σεισμικά κύματα πάνω στη Γη (πρόκειται και στις δύο περιπτώσεις για κύματα υποήχων), τα ηλιακά κύματα διαφέρουν στο ότι διαδίδονται σε πυκνό αέριο (πλάσμα) αντί για στερεά ύλη και στο ότι έχουν αμελητέα εγκάρσια συνιστώσα. Τα ηλιακά σεισμικά κύματα παράγονται από τις τυρβώδεις κινήσεις στη ζώνη ρευμάτων μεταφοράς θερμότητας, στο ανώτερο τμήμα του ηλιακού εσωτερικού. Ορισμένες συχνότητές τους ενισχύονται από ενισχυτική συμβολή. Τα κύματα μεταδίδονται μέχρι την εξωτερική φωτόσφαιρα, όπου παράγεται το ηλιακό φως που φθάνει ως εμάς, και γίνονται αντιληπτά σχεδόν σε όλες τις χρονοσειρές εικόνων του Ηλίου. Ανιχνεύονται πάντως καλύτερα με τη μέτρηση της μετατοπίσεως Ντόπλερ των φασματικών γραμμών απορροφήσεως της φωτόσφαιρας. Οι μεταβολές στη διάδοση των κυμάτων αυτών μέσα στον Ήλιο αποκαλύπτουν λεπτομέρειες για τη δομή του εσωτερικού του και επιτρέπουν στους ηλιακούς φυσικούς να αναπτύξουν εξαιρετικά λεπτομερείς περιγραφές για τις εσωτερικές φυσικές συνθήκες που επικρατούν εκεί. Η ηλιοσεισμολογία στάθηκε ικανή να αποκλείσει την πιθανότητα ότι το Πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων οφειλόταν σε λανθασμένα μοντέλα του ηλιακού εσωτερικού. Χαρακτηριστικά που αποκαλύφθηκαν ηλιοσεισμολογικά είναι η διαφορική περιστροφή της ζώνης ρευμάτων μεταφοράς και της εσωτερικής ζώνης ακτινοβολίας με τον ηλιακό πυρήνα, φαινόμενο που παράγει το κύριο μαγνητικό πεδίο του Ηλίου, και το ότι η ζώνη ρευμάτων μεταφοράς έχει ταχέα ρεύματα πλάσματος ("jet streams") χιλιάδες χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια. Αυτά τα ταχέα ρεύματα σχηματίζουν πλατιά μέτωπα στον ηλιακό ισημερινό, ενώ διασπώνται σε μικρότερες κυκλωνικές διαταραχές σε μεγάλα ηλιογραφικά πλάτη. Η ηλιοσεισμολογία είναι επίσης σε θέση να οδηγήσει στην ανίχνευση ηλιακών κηλίδων στην πλευρά του Ηλίου που τη συγκεκριμένη χρονική περίοδο είναι αόρατη από το μέρος της Γης. Ο όρος «ηλιοσεισμολογία» προήλθε από την παρόμοια πρακτική της μελέτης των γήινων σεισμικών κυμάτων για τη μελέτη της συστάσεως και των φυσικών ιδιοτήτων του εσωτερικού της Γης. Το περιεχόμενο της ηλιοσεισμολογίας μπορεί να συγκριθεί με την Αστεροσεισμολογία, που ασχολείται με τη διάδοση των ηχητικών κυμάτων στους αστέρες.

 Οι ηλιακές ταλαντώσεις υποδιαιρούνται σε τρεις διαφορετικούς τύπους με βάση τη δύναμη που τις καθοδηγεί: Τα ακουστικά ή κύματα πιέσεως (p modes), στα οποία η πίεση είναι η δύναμη επαναφοράς. Η δυναμική τους καθορίζεται από τις διαφορές στην τοπική ταχύτητα του ήχου στο ηλιακό εσωτερικό. Τα κύματα αυτά έχουν συχνότητες μεγαλύτερες του 0,001 Hz (1 mHz) και είναι πολύ ισχυρά στην περιοχή 2 ως 4 mHz, όπου αναφέρονται συχνά ως οι «ταλαντώσεις των 5 λεπτών». (5 λεπτά της ώρας ανά κύκλο είναι 1/300 του κύκλου ανά δευτερόλεπτο = 3,33 mHz). Τα πλάτη των ταλαντώσεων αυτών στην ηλιακή επιφάνεια ανέρχονται σε εκατοντάδες χιλιόμετρα και ανιχνεύονται εύκολα με απεικόνιση Ντόπλερ ή ευαίσθητη απεικόνιση της εντάσεως των φασματικών γραμμών.Τα κύματα βαρύτητας (g modes), που προκαλούνται από τις διαφορές στην πυκνότητα. (Δεν πρέπει να συγχέονται με τα βαρυτικά κύματα που προβλέπει η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας.) Τα κύματα αυτά έχουν χαμηλές συχνότητες (0 ως 0,4 mHz). Περιορίζονται στο εσωτερικό του Ηλίου, κάτω από τη ζώνη ρευμάτων μεταφοράς (δηλαδή σε αποστάσεις κάτω της 0,7 ηλιακής ακτίνας από το κέντρο του Ηλίου), και είναι πρακτικά αδύνατο να παρατηρηθούν στην επιφάνεια. Η δύναμη που τα παράγει προκαλείται από αδιαβατική διαστολή: στο βαθύ εσωτερικό του Ηλίου, η βαθμίδα θερμοκρασίας είναι μικρή και μια μάζα πλάσματος που κινείται π.χ. προς τα πάνω θα καταστεί ψυχρότερη και άρα πυκνότερη από το περιβάλλον της και επομένως θα κατεβεί κάτω στην αρχική της θέση. Αυτή η ταλάντωση είναι τα κύματα των g-modes. Στη ζώνη ρευμάτων μεταφοράς, η βαθμίδα θερμοκρασίας είναι λίγο μεγαλύτερη, οπότε υπάρχει μια αντίθετη δύναμη (αυτή που δημιουργεί τα ρεύματα της ύλης) και τα κύματα βαρύτητας αδυνατούν να διαδοθούν, παρότι κάποιοι «απόηχοί» τους με πλάτη λίγων μόνο χιλιοστομέτρων εκτιμάται ότι πρέπει να φθάνουν ως τη φωτόσφαιρα. Από τη δεκαετία του 1980 υπήρξαν πολλοί ισχυρισμοί επιστημόνων ότι ανίχνευσαν κύματα g-mode στον Ήλιο, αλλά κανένας δεν επιβεβαιώθηκε. Το 2007 μία ακόμα ανίχνευσή τους ανακοινώθηκε στα δεδομένα της ομάδας του GOLF [1][2]. Και αυτά τα τελευταία αποτελέσματα δεν βρίσκουν σύμφωνους όλους τους ηλιοσεισμολόγους, παρότι συμφωνούν με παλαιότερη εργασία [3] που υποδεικνύει ότι ο ηλιακός πυρήνας περιστρέφεται με γωνιακή ταχύτητα έως 5 φορές μεγαλύτερη από ό,τι η επιφάνεια.Τα επιφανειακά κύματα βαρύτητας (f modes), είναι και αυτά κύματα βαρύτητας, αλλά διαδίνονται πάνω ή πολύ κοντά στη φωτόσφαιρα, όπου η βαθμίδα της θερμοκρασίας πέφτει και πάλι κάτω από το «κατώφλι» της αδιαβατικότητας. Η ηλικία του Ηλίου μπορεί να εκτιμηθεί έμμεσα από ηλιοσεισμολογικές μελέτες. Αυτή η μέθοδος επαληθεύει την ηλικία του Ηλιακού Συστήματος που υπολογίζεται με βάση τη ραδιοχρονολόγηση των μετεωριτών, βλ. π.χ. A. Bonanno, H. Schlattl, L. Paternò: «The age of the Sun and the relativistic corrections in the EOS», περιοδικό Astronomy and Astrophysics, τόμος 390, σελ. 1115 (2002). Σημειώσεις διαλέξεων επί των αστρικών ταλαντώσεων του Jørgen Christensen-Dalsgaard Εκλαϊκευμένη περιγραφή της Ηλιο- και Αστερο-σεισμολογίας «Τοπική ηλιοσεισμολογία»: άρθρο στο Διαδίκτυο «Επιστήμονες εκδίδουν πρόγνωση χωρίς προηγούμενο για τον επόμενο κύκλο ηλιακών κηλίδων» - Δελτίο τύπου του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών των ΗΠΑ, 6 Μαρτίου 2006. GOLF VIRGO SOI/MDI TRACE BiSON Mark-1 GONG HiDHN Αστεροσεισμολογία Μαγνητοβαρύτητα Αλυσίδα πρωτονίου-πρωτονίου Πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων