Jak 400-letnie szkice plam słonecznych rozwiązują współczesne zagadki słoneczne

Korzystając z aktualnych metod statystycznych i danych historycznych, naukowcy na nowo zinterpretowali rysunki plam słonecznych autorstwa Johannesa Keplera, rzucając światło na cykle słoneczne przed Minimum Maundera i początkiem ery teleskopów w astronomii.

Naukowcy ponownie zbadali na wpół zapomniane rysunki plam słonecznych Johannesa Keplera, korzystając z nowoczesnych technik i ujawnili wcześniej ukryte informacje na temat cykli słonecznych przed wielkim minimum słonecznym. Odtwarzając warunki obserwacji wielkiego astronoma i stosując prawo Spörera w świetle współczesnych statystyk, międzynarodowa grupa współpracy kierowana przez Uniwersytet w Nagoi w Japonii zmierzył położenie grupy plam słonecznych Keplera, umieszczając ją na końcu cyklu słonecznego, przed cyklem, którego świadkami byli później Thomas Harriot, Galileo Galilei i inni pierwsi obserwatorzy teleskopowi.

Ustalenia grupy, opublikowane w Listy do dzienników astrofizycznych, dają klucz do rozwiązania kontrowersji wokół czasu trwania cykli słonecznych na początku XVII wieku, które kojarzono z przejściem od regularnych cykli słonecznych do wielkiego minimum słonecznego, zwanego Minimum Maundera (1645–1715). Wielkie minimum słoneczne to nienormalnie przedłużony okres niskiej aktywności plam słonecznych, co jest ważne, aby dowiedzieć się badaczy o aktywności Słońca i jej wpływie na Ziemię.

Wczesne nagrania instrumentalne Keplera

Kepler, znany ze swoich historycznych osiągnięć w astronomii i matematyce, sporządził jeden z najwcześniejszych możliwych do datowania instrumentalnych zapisów aktywności Słońca na początku XVII wieku, przed najwcześniejszymi teleskopowymi rysunkami plam słonecznych. Użył aparatu zwanego kamerą obscura, składającego się z małego otworu w ścianie, do rzutowania obrazu Słońca na kartkę papieru, co pozwoliło mu naszkicować widoczne cechy Słońca.

W maju 1607 roku zapisał coś, co błędnie zinterpretował jako tranzyt Merkurego przez Słońce, co później wyjaśniono jako obserwację grupy plam słonecznych. Plamy słoneczne to obszary na powierzchni Słońca, które wydają się ciemniejsze z powodu intensywnej aktywności magnetycznej. Ich występowanie, częstotliwość i rozkłady równoleżnikowe pojawiają się w cyklach, które wpływają na promieniowanie słoneczne i pogodę kosmiczną.

Hisashi Hayakawa, główny autor badania, uważa, że ​​badacze nie docenili znaczenia tego odkrycia. „Ponieważ zapis ten nie był obserwacją teleskopową, był omawiany jedynie w kontekście historii nauki i nie był używany do analiz ilościowych cykli słonecznych w XVII wieku” – powiedział. „Ale to najstarszy szkic plam słonecznych, jaki kiedykolwiek wykonano na podstawie obserwacji instrumentalnej i projekcji”.

Kontynuował: „Uświadomiliśmy sobie, że ten rysunek plam słonecznych powinien być w stanie wskazać nam lokalizację plamy słonecznej i wskazać fazę cyklu słonecznego w 1607 r., o ile udało nam się zawęzić punkt obserwacji i czas oraz zrekonstruować nachylenie współrzędnych heliograficznych – co oznacza położenie obiektów na powierzchni Słońca – w tym momencie.”

Krytyczne spostrzeżenia na temat 17^t Stuletnia aktywność słoneczna

Obserwacje były ważne, ponieważ XVII wiek był kluczowym okresem w cyklu słonecznym, nie tylko jako czas, w którym dopiero rozpoczęły się obserwacje plam słonecznych, ale także kiedy aktywność słoneczna przeszła od normalnych cykli słonecznych do Minimum Maundera, wyjątkowego wielkiego minimum słonecznego w obserwacjach obserwacyjnych. historia.

Nie jest w pełni zrozumiałe, w jaki sposób wzór aktywności słonecznej zmienił się z regularnych cykli do wielkiego minimum, poza tym, że przejście było stopniowe. Jedna z poprzednich rekonstrukcji opartych na słojach obejmowała sekwencję składającą się z niezwykle krótkiego cyklu słonecznego (≈ 5 lat) i niezwykle długiego cyklu słonecznego (≈ 16 lat), łącząc te anomalne czasy trwania cykli słonecznych z prekursorem przejścia od regularnych cykli słonecznych do wielkiego minimum słonecznego.

„Jeśli to prawda, byłoby to rzeczywiście interesujące. Jednak inna rekonstrukcja oparta na słojach drzew wykazała sekwencję cykli słonecznych o normalnym czasie trwania” – powiedział Hisashi Hayakawa z Uniwersytetu w Nagoya; „W takim razie jakiej rekonstrukcji powinniśmy zaufać? Niezwykle ważne jest sprawdzenie tych rekonstrukcji za pomocą niezależnych – najlepiej obserwacyjnych – zapisów.”

Rozszyfrowanie historycznych cykli słonecznych

Zapis plam słonecznych Keplera jest kluczowym punktem odniesienia obserwacyjnym. Analizując zapisy Keplera i porównując je z danymi współczesnymi i współczesnymi statystykami, badacze dokonali kilku ważnych odkryć:

Po pierwsze, po „odwzorowaniu” rysunków plam słonecznych Keplera i skompensowaniu kąta położenia Słońca, umieścili grupę plam słonecznych Keplera na niskiej szerokości heliograficznej. Sugeruje to, że słynny schematyczny rysunek obrazu Słońca, który Kepler naszkicował w swojej książce, nie jest zgodny z oryginalnym tekstem Keplera i dwoma obrazami z kamery obscura, które pokazują plamę słoneczną w lewej górnej części dysku słonecznego.

Po drugie, stosując prawo Spörera i wiedzę zdobytą ze współczesnych statystyk dotyczących plam słonecznych, zidentyfikowali grupę plam słonecznych jako prawdopodobnie zlokalizowaną na końcu cyklu słonecznego -13, a nie na początku cyklu słonecznego -14.

Po trzecie, ich odkrycia kontrastują z późniejszymi obserwacjami teleskopowymi, które pokazują plamy słoneczne na wyższych szerokościach geograficznych. „To pokazuje typowe przejście z poprzedniego cyklu słonecznego do następnego, zgodnie z prawem Spörera” – powiedział Thomas Teague, obserwator WDC SILSO i członek zespołu, odnosząc się do niemieckiego astronoma Gustava Spörera, który opisał migracja plam słonecznych z wyższych do niższych szerokości geograficznych podczas cyklu słonecznego.

Po czwarte, odkrycie to pozwala autorom przybliżyć przejście pomiędzy poprzednim cyklem słonecznym (-14) a następnym cyklem słonecznym (-13) pomiędzy 1607 a 1610 rokiem, zawężając możliwe daty jego wystąpienia. Na tej podstawie zapisy Keplera sugerowały regularny czas trwania cyklu słonecznego-13, co kwestionuje alternatywne rekonstrukcje, które proponują niezwykle długi cykl w tym okresie.

Kontynuacja dziedzictwa Keplera

„Dziedzictwo Keplera wykracza poza jego umiejętności obserwacyjne; dostarcza informacji do toczących się debat na temat przejścia od regularnych cykli słonecznych do Minimum Maundera, okresu skrajnie zmniejszonej aktywności słonecznej i anomalnej asymetrii półkuli między 1645 a 1715 rokiem” – wyjaśnił Hayakawa. „Umieszczając odkrycia Keplera w szerszych rekonstrukcjach aktywności słonecznej, naukowcy zyskują kluczowy kontekst do interpretacji zmian w zachowaniu Słońca w tym kluczowym okresie, wyznaczającym przejście od regularnych cykli słonecznych do wielkiego minimum słonecznego”.

„Kepler wniósł wiele historycznych wzorców do astronomii i fizyki w XVII wieku, pozostawiając swoje dziedzictwo nawet w epoce kosmicznej” – powiedział Hayakawa. „Dodajemy do tego, pokazując, że zapisy Keplera dotyczące plam słonecznych są o kilka lat starsze od istniejących teleskopowych zapisów plam słonecznych z 1610 roku. Jego szkice plam słonecznych stanowią świadectwo jego wiedzy naukowej i wytrwałości w obliczu ograniczeń technologicznych”.

Sabrina Bechet, badaczka z Królewskiego Obserwatorium w Belgii, dodała: „Jak powiedziała mi jedna z moich koleżanek, fascynujące jest obserwowanie, jak zapisy dziedzictwa postaci historycznych niosą ze sobą kluczowe implikacje naukowe dla współczesnych naukowców nawet wieki później. Wątpię, czy mogli sobie wyobrazić, że ich zapisy przyniosą korzyści społeczności naukowej znacznie później, długo po ich śmierci. Oprócz historii samej nauki wciąż możemy się wiele nauczyć od tych postaci historycznych. W przypadku Keplera stoimy na barkach naukowego giganta.”

Odniesienie: „Analizy rysunków plam słonecznych Johannesa Keplera w 1607 r.: poprawiony scenariusz cykli słonecznych na początku XVII wieku” Hisashi Hayakawa, Koji Murata, E. Thomas H. Teague, Sabrina Bechet i Mitsuru Sôma, 25 lipca 2024 r., Listy z dziennika astrofizycznego.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad57c9