Вращение Солнца: от Галилея до наших дней

Многие объекты в космосе вращаются. Земля совершает один оборот примерно за 24 часа, тогда как Венере на это требуется колоссальные 243 земных дня. Период вращения Луны составляет около 27 дней. Оказывается, Солнце тоже вращается. Так сколько же времени нужно нашему светилу, чтобы совершить полный оборот?

Ответ зависит от точки наблюдения в пространстве и от того, какую часть Солнца вы измеряете.

В 1612 году Галилео Галилей, глядя на Солнце в телескоп и зарисовывая увиденное, заметил, что солнечные пятна — тёмные области вблизи поверхности — со временем перемещаются по солнечному диску. «Галилей отследил несколько [солнечных пятен] и пришёл к выводу, что Солнце вращается», — сказал Live Science Дж. Тодд Хоксема, солнечный физик из Стэнфордского университета. Определив скорость перемещения пятен, Галилей вычислил, что Солнце совершает один оборот за 28 дней. Однако эта цифра не раскрывает всей картины скорости вращения нашей звезды.

Спустя столетия, в середине 1800-х годов, английский астроном Ричард Кэррингтон измерил скорость вращения Солнца, используя по сути те же методы, что и Галилей, но с более совершенным телескопом, пояснил Хоксема. Кэррингтон определил скорость движения пятен в определённой области — примерно на 30 градусах солнечной широты, где они наблюдались чаще всего. Согласно его измерениям, пятнам требовалось около 27,3 дня, чтобы обойти Солнце по кругу.

Большинство солнечных пятен существуют от недели до двух, поэтому они не «живут» полный период вращения, отметил Хоксема. Тем не менее, астрономы вроде Галилея и Кэррингтона могли, отслеживая движение пятен в течение нескольких дней, определить скорость вращения Солнца и, исходя из этого, время, необходимое для полного оборота.

Однако вращение Земли вносит свои коррективы в эти расчёты. Поскольку Земля движется вокруг Солнца в том же направлении, в котором вращается само светило, измерение, проведённое с нашей планеты, показывает скорость вращения Солнца относительно движения Земли. Такой тип измерения называется синодическим периодом вращения и почти на два дня длиннее, чем измерение относительно движения звёзд (сидерический период), объяснила Николин Виалл, астрофизик-исследователь из Центра космических полётов имени Годдарда NASA в Мэриленде. Показатель Кэррингтона в 27,3 дня включает в себя эти дополнительные два дня.

Таким образом, за период в 27,3 дня по Кэррингтону Солнце фактически совершает более одного полного оборота, сказала Виалл. Несмотря на это, скорость вращения по Кэррингтону была «в конечном итоге принята всеми в качестве стандарта», отметил Хоксема.

Однако сегодня учёным известно, что относительно движения звёзд (которое в данном контексте пренебрежимо мало) Солнцу требуется около 25,4 дня, чтобы совершить оборот вокруг своей оси на той солнечной широте, где Кэррингтон наблюдал пятна.

«С точки зрения чистой физики, сидерический период — это и есть правильная скорость вращения», — сказала Виалл. Именно поэтому в дальнейшем в статье будут использоваться сидерические периоды.

Широта и глубина

Исследователи вроде Кэррингтона вынуждены были полагаться на видимые особенности Солнца, такие как пятна, чтобы определить скорость его вращения. Проблема в том, что не все области Солнца имеют пятна, сказал Хоксема. На полюсах их «практически нет», а на экваторе — «относительно мало», поэтому измерения, основанные на пятнах, ограничены конкретными участками светила.

Проведение измерений в разных точках Солнца необходимо для получения полной картины, поскольку скорость его вращения зависит от солнечной широты и глубины.

«Интересно, что не существует единой скорости вращения, описывающей Солнце, — отметил он. — Каждая часть, кажется, вращается со своей скоростью». Это явление, называемое дифференциальным вращением, возможно на Солнце, потому что оно состоит из газа. Земля же, будучи твёрдым телом, вращается как единое целое.

Начиная с 1970-х годов, учёные начали наблюдать за солнечным вращением, используя методы, отличные от визуальных. Один из них — гелиосейсмология, «использующая звуковые волны, движущиеся внутри Солнца, для определения его характеристик», пояснил Хоксема.

Учёные также могут измерять вращение Солнца, наблюдая доплеровский сдвиг в свете, излучаемом вращающейся звездой: длина световой волны меняется в зависимости от того, движется ли её источник к наблюдателю или от него.

Объединив данные этих методов, исследователи выяснили, что Солнце вращается быстрее всего на экваторе, где один оборот занимает 24,5 дня, и медленнее всего на полюсах, где на это требуется 34 дня и более. Эта зависимость от широты наблюдается от поверхности Солнца до нижней границы конвективной зоны — слоя, простирающегося примерно на треть пути к ядру.

Внутри этой же зоны скорость вращения также меняется с глубиной, добавил Хоксема. Глубже, в радиационной зоне, которая находится между конвективной зоной и ядром, Солнце вращается как твёрдое тело со скоростью около 26,6 дней, независимо от широты.

Учёные до конца не уверены, с какой скоростью вращается ядро Солнца, признал Хоксема, поскольку у исследователей пока нет точных измерений для этой области.

Это «то, что предстоит выяснить в будущем», — заключил он.