Сейсмология Солнца

Сейсмология Солнца.

С. В. Воронцов, доктор физико-математических наук. Институт физики Земли РАН.

Природа колебаний

Колебания на Солнце в начале 60-х годов обнаружили американские астрономы Р. Лейтон, Р. Нойс и Дж. Саймон. Они наблюдали цуги квазипериодических колебаний в солнечной фотосфере с периодом около пяти минут. Природа этих колебаний долгое время оставалась неясной. И все же датой рождения гелиосейсмологии можно считать 1975 г., когда блестящие наблюдения немецкого астронома Ф.-Л. Дебнера убедительно показали: загадочные пятиминутные колебания представляют собой наложение огромного числа различных мод резонансных акустических колебаний Солнца. Они проявляются не только на поверхности, но и глубоко в недрах, вплоть до области термоядерных реакций в ядре. Такие колебания несут богатейшую информацию о внутреннем строении Солнца. Их спектр уникален, подобно звучанию музыкального инструмента, индивидуальность которого единственна и неповторима. Глобальные акустические колебания — это упругие резонансные колебания Солнца, являющиеся звуковыми волнами, захваченными в его недрах. Источником энергии служит акустический шум, генерируемый турбулентной конвекцией в оболочке Солнца. При таком шумовом (стохастическом) возбуждении звуковые волны излучаются в широком диапазоне частот и по всем направлениям. Распространяясь по различным траекториям в недрах, волны многократно отражаются от поверхности. Траектория волны может оказаться замкнутой — и тогда в результате интерференции образуется стоячая волна, это одна из мод акустических колебаний. Сложение бегущих волн в стоячую аналогично ее возникновению в обычной струне на определенных дискретных (резонансных) частотах. 

Спектр колебаний струны состоит из основного тона, первого и второго обертона и т. д. (номер обертона определяется числом узлов в распределении амплитуды по длине струны). Солнечные же колебания могут иметь не только разное число узлов по радиусу Солнца (его называют радиальным номером обертона n), но и различное распределение амплитуд по поверхности. При колебаниях в каждой моде отдельные участки поверхности Солнца движутся в противофазе и разделены узловыми линиями, на которых амплитуда колебаний равна нулю. Полное число таких линий по поверхности Солнца называют степенью колебаний I. (В строгом математическом описании распределение амплитуд по поверхности определяется сферической гармоникой степени I.) Простейший тип колебаний — это радиальные с I=0, при которых поверхность Солнца периодически расширяется и сжимается, не меняя своей сферической формы. Колебания с I=1 называют дипольными. Наглядно представить их можно, если потрясти сваренное всмятку яйцо: оболочка и ядро будут двигаться в противоположных направлениях, совершая колебания относительно общего центра масс. Колебания с I=2 называют квадрупольными, они поочередно деформируют поверхность Солнца в вытянутый и сплюснутый эллипсоид. Колебания более высоких степеней имеют и более сложную форму (диапазон солнечных колебаний весьма широк — до l~2000). 

Регистрируют солнечные осцилляции, как правило, путем измерения доплеровских скоростей на поверхности Солнца. Выбирают одну из узких линий поглощения в его оптическом спектре. При движении вещества'! сторону наблюдателя из-за эффекта Доплера линия поглощения смещается в фиолетовую область спектра, при движении в обратном направлении — в красную. Амплитуды колебаний по солнечным масштабам весьма малы (сантиметры в секунду), однако вполне обнаружимы спектральными оптическими методами. Современные наблюдения с высоким пространственным разрешением видимого диска Солнца позволяют выделять осцилляции различной степени I. Колебания удается регистрировать и в интенсивности солнечного излучения, где они имеют относительную амплитуду порядка 10^-6. Благодаря специальным прецизионным инструментам, разработанным для наблюдения солнечных осцилляции, в ходе обширных научных программ зарегистрированы многие тысячи частот различных мод солнечных колебаний. И измерены они с почти фантастической для астрофизики относительной точностью — до 10^-5. Основной объем подобных высококачественных данных о колебаниях в широком диапазоне степеней I получен на солнечных телескопах обсерваторий Биг Бэр и Маунт Вилсон (США) и в экспедиционных наблюдениях на Южном Полюсе (наблюдения на полюсе позволили получить ряды данных, не прерываемые сменой дня и ночи). Лучшие данные о колебаниях низких степеней I получены на сетях наземных станций, организованных учеными из Бирмингемского университета (Англия) и университета Ниццы (Франция), а также из космоса — с борта аппарата «Фобос» при его полете к Марсу. Это был один из немногих экспериментов по программе «Фобос», который удалось завершить, передав на Землю прекрасные результаты. 

Данные о частотах акустических колебаний Солнца по объему и качеству уже сейчас превзошли информацию о собственных колебаниях Земли, которой располагает земная сейсмология. Как это ни странно, но солнечные осцилляции легче наблюдать, чем земные. Дело в том, что земные колебания можно регистрировать только в отдельных точках и лишь после землетрясений или взрывов. Солнце же мы наблюдаем целиком, и его колебания все время возбуждаются. 

Строение солнечных недр по сейсмическим данным

Бурное развитие работ по гелиосейсмологии, последовавшее за Первыми сообщениями об измерении частот солнечных колебаний, связано с тем, что новые данные попали на хорошо подготовленную почву. Уже были разработаны детальные количественные модели внутреннего строения Солнца — стандартные солнечные модели, Они рассчитаны на основе общих концепций теории звездной эволюции и современных количественных представлений о скоростях ядерных реакций, переносе излучения, конвективном теплопереносе в звездах. С другой стороны, была детально развита теория звездных осцилляции, начавшаяся с работ Кельвина и У. Ю. Лэмба. Теория эта применялась к расчету колебаний классических переменных звезд (пульсирующих, в отличие от Солнца, с большими амплитудами на одной или двух низших модах колебаний). Казалось бы, оставалось только взять стандартные модели Солнца, рассчитать на ЭВМ частоты осцилляции с помощью уже существующих алгоритмов (или несколько адаптировать алгоритмы, разработанные в земной сейсмологии для расчета собственных колебаний Земли) и сравнить полученные частоты с наблюдаемыми. Все это было сделано. И оказалось, что теоретические и наблюдаемые частоты неплохо согласуются — подтвердилась правильность наших основных представлений о внутреннем строении Солнца. Однако вскоре выявились и существенные расхождения. Их попытались снять путем подбора модели, внося количественные изменения в ту сложную физику, которая легла в основу построения эволюционной модели. Расхождения удалось несколько уменьшить, но не удалось полностью устранить. Лучшие из существующих сейчас моделей согласуются с наблюдаемыми солнечными частотами на уровне примерно одного процента, Но, к сожалению, даже такого, казалось бы, хорошего согласия недостаточно, чтобы считать модели удовлетворительными. Частоты колебаний в различной мере чувствительны к строению тех или иных областей Солнца. Кардинальные изменения в строении небольшого центрального ядра, где идут термоядерные реакции и изучение которого представляет особый интерес, ведут к относительному изменению частот всего лишь порядка 10^-3. В то же время процесс подбора модели осложнен тем, что в ее построение закладывается немало качественных и количественных допущений; возможных источников расхождений достаточно, а расчет эволюционных моделей и частот их колебаний с хорошей точностью превращается в весьма громоздкую вычислительную задачу. 

По мере накопления и уточнения наблюдательных данных становилось ясно, что простым подбором модели проблему не решить. Наблюдательная гелиосей-смология значительно опередила гелиосейсмологию теоретическую (это положение сохраняется и сейчас). Обилие и хорошее качество данных позволило подойти к проблеме с иной стороны — попытаться решить обратную задачу: восстановить сейсмическое строение Солнца непосредственно по наблюдаемым частотам колебаний, привлекая модели лишь для сравнения результатов. На этом пути, приводящем нас в увлекательную область математики — изучение обратных задач, и ведутся сейчас основные исследования по гелиосейсмологии. И, конечно, огромную помощь здесь оказывает опыт, накопленный в обратных задачах земной сейсмологии. 

Перечислим некоторые основные результаты, полученные в сейсмологии Солнца к настоящему времени. 

Удалось измерить толщину конвективной оболочки Солнца. Она составляет 29 % солнечного радиуса. Оценка по стандартным моделям делалась со значительной неопределенностью и, как правило, давала более тонкую конвективную зону. Выявлены погрешности стандартных моделей в лучистой зоне Солнца, связанные с неточным описанием переноса излучения. Сейсмические же данные позволяют уточнить коэффициенты «непрозрачности» солнечной плазмы, предсказываемые физической теорией взаимодействия излучения с веществом. 

Наконец — и это самое интересное — получены указания на необычное строение солнечного ядра. Но поскольку его труднее всего изучать с помощью акустических колебаний, окончательные выводы требуют еще дальнейшего тщательного анализа. И все же предварительные результаты нескольких независимых групп исследователей можно интерпретировать как указание на то, что вещество в ядре перемешивается, и такое перемешивание происходило в течение всей солнечной эволюции. 

Здесь необходимо сделать небольшое отступление. Один из постулатов стандартной теории солнечной эволюции гласит, что вещество в недрах Солнца перемешивается лишь в конвективной оболочке. В ядре никакого перемешивания не происходит, и продукты термоядерных реакций (выгорание водорода с превращением в гелий) накапливаются в тех местах, где они образуются. Вопрос этот тесно связан с проблемой дефицита солнечных нейтрино — одной из важнейших проблем астрофизики двух последних десятилетий. Дело в том, что наблюдаемый в земных нейтринных детекторах поток энергичных нейтрино от Солнца (из-за слабого взаимодействия с веществом они беспрепятственно проникают сквозь солнечную толщу и достигают Земли) втрое меньше, чем предсказывают стандартные солнечные модели. И хотя не исключено, что секрет тут в недостаточной изученности самих нейтрино как элементарных частиц, одно из возможных решений проблемы может быть связано с перемешиванием вещества в солнечном ядре. Генерация нейтрино исключительно чувствительна к температуре. Если какой-либо процесс приводит к перемешиванию вещества, то в область термоядерного горения дополнительно приносится свежий водород, и тогда для генерации той же самой энергии требуется меньшая температура, а это резко снижает поток нейтрино. Будущие сейсмические исследования солнечного ядра несомненно прольют свет на решение этой интереснейшей проблемы, выходящей далеко за рамки физики Солнца. 

Систематические наблюдения солнечных осцилляции ведутся уже на протяжении десятилетия. Имея столь представительный ряд наблюдений, ученые заинтересовались вопросом, не происходит ли каких-либо изменений частот колебаний в течение 11-летнего солнечного цикла, которые позволили бы выявить структурные деформации в недрах Солнца, сопровождающие этот цикл. Высокоточные наблюдения последних лет со всей очевидностью показали, что изменения частот действительно происходят. Возможные их причины и механизмы сейчас исследуются. Предварительный анализ, выполненный методом обратной задачи, показывает: изменения в строении Солнца, ответственные за изменения частот колебаний, происходят главным образом его внешних слоях и на широтах максимальной магнитной активности Солнца. Возможно, что изменения частот обусловлены прямым влиянием магнитного поля на колебания. Но не исключено и косвенное воздействие через изменения температуры, поскольку магнитное поле подавляет конвекцию и влияет на ее эффективность. 

Измерение содержания гелия

Классические представления о химическом составе Солнца (как и других астрофизических объектов) основаны на данных спектрального анализа. По спектральному составу солнечного излучения удалось определить относительное содержание многих химических элементов. Однако практически нет прямых измерений относительного содержания гелия — второго по распространенности (после водорода) химического элемента во Вселенной. А ведь оценка его содержания представляет большой космологический интерес, начиная от теории Большого Взрыва и кончая образованием и эволюцией Солнечной системы. Поскольку спектральными методами содержание гелия определить не удается, в этом вопросе принято полагаться на предсказания стандартных эволюционных моделей Солнца. (Имеется в виду начальное содержание гелия в протосолнечном веществе, сохранившееся, как принято считать, неизменным в солнечной оболочке; в ядре содержание гелия возрастает в течение эволюции за счет выгорания водорода.) Нельзя ли определить содержание гелия сейсмическими методами? Это было бы особенно интересно, поскольку, как мы уже видели, предсказания стандартных моделей вызывают сомнения. На первый взгляд кажется, что сейсмические методы тут не помогут, ведь такие данные чувствительны к определенным механическим свойствам вещества, но отнюдь не к его химическому составу. Однако их все-таки можно применить. Идея, впервые предложенная английским астрономом Д. Гофом, состоит в следующем. 

На поверхности Солнца, где температура и давление еще не слишком велики, гелий находится в нейтральном состоянии, в недрах же он полностью ионизован. На глубине, составляющей 1— 2 % солнечного радиуса, располагается зона ионизации гелия, где он частично ионизован. При сжатии частично ионизованного вещества рост температуры и давления ведет к увеличению степени ионизации. Поэтому упругость вещества в зоне ионизации несколько уменьшается, что отражается на скорости звука и на частотах акустических колебаний. По величине этого эффекта можно измерить содержание гелия. 

Соответствующие эффекты в частотах колебаний весьма невелики, в относительном масштабе порядка 10^-3, но из современных наблюдательных данных их удается надежно выделить. Полученные оценки содержания гелия находятся в пределах от 23, 5 до 26, 5 % (по массе). Эта величина существенно меньше той, которую предсказывают стандартные модели (они дают оценку от 27 до 29 %). Интересно отметить, что точность наблюдательных данных сама по себе позволяет лучше измерить содержание гелия. Такие измерения безусловно будут сделаны в ближайшее время — пока этому препятствуют лишь некоторые теоретические неопределенности в уравнении состояния частично ионизованной плазмы. Но ведь и само это уравнение, влияющее на упругость вещества на различных глубинах, можно уточнять по сейсмическим данным. Здесь уже речь идет о тончайших эффектах в частотах колебаний. Однако детальные исследования, выполненные в последнее время специально разработанными методами обратной задачи, выявили вполне определенные погрешности в теоретических уравнениях состояния. Перспективы, открывающиеся в области сейсмических исследований Солнца, превращают его в уникальную природную лабораторию для изучения физики высокотемпературной плазмы. 

Внутреннее вращение Солнца

Определенное, весьма специфическое влияние на частоты колебаний Солнца оказывает его вращение. Эффекты эти, правда, очень малы, но они надежно выделяются в наблюдательных данных и дают уникальную возможность для изучения внутреннего вращения Солнца, которое может сильно отличаться от поверхностного, Как мы уже говорили, акустические колебания классифицируются по двум индексам — радиальному номеру n (число узлов по радиусу) и степени I (количество узловых линий по поверхности Солнца). Вращение нарушает сферическую симметрию задачи, поскольку появляется выделенное направление — ось вращения Солнца. При этом _ обогащается спектр колебаний — в нем появляется некоторая дополнительная тонкая структура. В результате каждая частота колебаний расщепляется на несколько близких частот (подобно расщеплению энергетических уровней атома под действием магнитного поля — эффект Зеемана). Величина и характер расщепления зависят от скорости вращения в недрах Солнца, ее распределения по глубине и широте. Они будут неодинаковы для разных мультиплетов, поскольку различные моды колебаний проникают на разную глубину в солнечные недра. 

Анализ расщепления частот колебаний и решение соответствующей обратной задачи позволили составить надежное представление о внутреннем вращении Солнца до глубины примерно в половину солнечного радиуса. Результаты оказались весьма неожиданными с теоретической точки зрения. Зависимость угловой скорости вращения от широты, наблюдаемая на поверхности (быстрее вращаются экваториальные области), сохраняется по всей глубине конвективной оболочки Солнца. При переходе в лучистую область вращение меняется на твердотельное, и его скорость становится промежуточной между скоростью экваториальных и .полярных областей в конвективной зоне. Скорость вращения с глубиной быстро меняется лишь в узком слое у основания конвективной зоны. Именно здесь, вероятно, действует механизм электромагнитного динамо, ответственный за генерацию солнечных магнитных полей. 

Проблемы и перспективы

Специфическую тонкую структуру в частотах колебаний могут вызывать эффекты внутреннего магнитного поля Солнца: анализ наблюдательных данных уже указал на сильную концентрацию магнитных полей (напряженностью 1—2 МГс) у основания конвективной зоны. 

Кроме короткопериодических акустических осцилляции Солнце может иметь колебания и иной физической природы— гравитационные, с периодами больше одного часа. По своей природе они аналогичны волнам в земной атмосфере и океанах. Сообщения о регистрации таких колебаний на Солнце пока противоречивы — здесь требуются длительные наблюдения, свободные от искажений в земной атмосфере, и основные надежды возлагаются на наблюдения из космоса. К области долгопериодных относятся и загадочные 160-минутные колебания, открытые в Крымской астрофизической обсерватории А. Б. Северным, В. А. Котовым и Т. И. Цапом. Далеко не все понятно и в высококачественных наблюдательных данных о короткопериодных колебаниях, и новые теоретические проблемы возникают пока гораздо быстрее, чем решаются старые. 

В наблюдениях с Земли особенно важно обеспечить их непрерывность при смене дня и ночи. Для этого используются сети из нескольких станций, разнесенных по долготе. С трех станций — на Канарских островах, на Гавайях и в Австралии — ведет наблюдения группа Бирмингемского университета. Сеть из семи станций создается по проекту международного сотрудничества IRIS (International Research on the Interior of the Sun); одна из станций успешно функционирует в нашей стране — на горе Кумбель вблизи Ташкента. Вскоре начнутся наблюдения с высоким пространственным разрешением на шести станциях международной рабочей группы GONG (Global Oscillation Network Group); этот крупный проект финансируется Национальным Научным Фондом США. Готовится аппаратура для новых наблюдений из космоса, которые особенно перспективны, поскольку позволяют полностью освободиться от эффектов земного вращения и неоднородностей в земной атмосфере. Наиболее обширные программы наблюдений разрабатываются для космической обсерватории SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) no совместному проекту Европейского Космического Агентства и НАСА. 

Исследования по сейсмологии Солнца углубляются и затрагивают все больший круг научных направлений — физики плазмы, ядерной физики, магнитной гидродинамики. Расширяется международное сотрудничество по гелиосейсмологии. В нашей стране систематические наблюдения идут в Крымской астрофизической обсерватории, ряд интересных результатов получен в Саянской обсерватории СибИЗМИР. Во многих институтах и астрономических обсерваториях ведутся теоретические исследования, определенную поддержку которым оказывает Координационный научно-методический совет «Зодиак».