Co nowego w gwiazdach? - TRZĘSIENIE SŁOŃCA

Stanisław Mrówczyński

Badanie fal sejsmicznych pozwoliło zajrzeć w głąb Ziemi. Dzięki heliosejsmologii poznajemy wnętrze Słońca. Powierzchnia najbliższej nam gwiazdy faluje niby wzburzone morze, a satelita SOHO i sieć naziemnych urządzeń wsłuchują się w jego szum.

Kilka miliardów lat temu uformował się ogromny obłok gazu - głównie wodoru i helu - dając początek naszemu Słońcu. Pod naporem sił grawitacji gazowa kula kurczyła się nagrzewając, aż w jej gęstym centrum wodór na skutek reakcji jądrowych począł przemieniać się w hel. Dzięki uwalnianej w tym procesie energii, na niebie zajaśniała gwiazda, która świeci do dziś obdarzając nas życiodajnym ciepłem.

Choć dysponujemy już ogromną wiedzą dotyczącą owej jedynej gwiazdy dziennego nieba, wiele pytań nie znajduje odpowiedzi. Nie wiemy jakie są przyczyny powstawania plam na Słońcu i nie rozumiemy jego zmiennej aktywności. Od blisko 40 lat fizycy i astrofizycy borykają się z zagadką słonecznych neutrin - cząstek emitowanych podczas jądrowego spalania wodoru, których liczba rejestrowana na Ziemi jest dwukrotnie mniejsza od spodziewanej liczby, obliczonej teoretycznie.

Oślepieni światłem rozżarzonej powierzchni Słońca nie umiemy bezpośrednio zajrzeć w głąb, gdzie w jądrowym tyglu, którego temperatura sięga 16 milionów stopni, produkowana jest i energia i neutrina, i dzieją się najważniejsze procesy określające zachowanie - teraźniejsze i przyszłe - gwiazdy. Skazani jesteśmy na metody pośrednie polegające na budowaniu matematycznych modeli Słońca i porównywaniu ich przewidywań z wynikami obserwacji słonecznej atmosfery. W ostatnich latach nastąpił gwałtowny rozwój jednej z takich metod, czy raczej całej dziedziny badań zwanej heliosejsmologią. Pozwala ona odtworzyć wewnętrzną budowę Słońca na podstawie pomiarów wibracji jego powierzchni.

Ruch świecącego gazu rejestrowany jest dzięki szeroko wykorzystywanemu w astronomii efektowi Dopplera. Sprawia on, że fala, w tym wypadku świetlna, ulega skróceniu, gdy źródło fali przybliża się do obserwatora, wydłuża się zaś podczas oddalania się źródła. Samo zjawisko każdy może łatwo zaobserwować - terkot przejeżdżającego samochodu jest wyższy (krótsza fala dźwiękowa), gdy pojazd nadjeżdża, niż po chwili gdy odjeżdża. W przypadku falowania powierzchni Słońca, efekt Dopplera jest niestety maleńki - długość fali światła zmienia się zaledwie o miliardowe części. Trzeba więc użyć niezwykle wyrafinowanej aparatury, aby taką zmianę wykryć.

Po raz pierwszy cykliczne ruchy powierzchni Słońca zauważono w latach 60-tych. Obserwując niewielki fragment tarczy słonecznej stwierdzono mianowicie, że świecący gaz to przybliża się do nas to umyka z okresem wynoszącym ok. 5 minut. Upłynęło kilka lat nim poprawnie zinterpretowano to zjawisko jako przejaw falowania całej powierzchni Słońca. Dalsze obserwacje potwierdziły falową hipotezę, otwierając tym samym możliwość wykorzystywania metod sejsmologicznych do określenia wewnętrznej budowy Słońca. Aby uzmysłowić sobie skuteczność takich metod, warto wspomnieć o dokonaniach ziemskiej sejsmologii.

Badając rozchodzenie się fal inicjowanych trzęsieniami Ziemi, a w latach późniejszych i wybuchami jądrowymi ustalono, że pod skalną skorupą naszej planety znajduje się elastyczny płaszcz zbudowany głównie z krzemianów, a głębiej metaliczne jądro, którego zewnętrzna warstwa jest płynna, centralna zaś część stała. Kilka miesięcy temu doniesiono o zdumiewającym odkryciu. Okazało się mianowicie, że zestalone ziemskie jądro wiruje względem zewnętrznej skorupy, wykonując pełny obrót w ciągu 400 lat. Wykrycie tego niezmiernie powolnego ruchu było możliwe dzięki skrupulatnej analizie fal wędrujących z sejsmicznie aktywnych okolic Antarktydy aż po Alaskę.

Fale sejsmiczne są bardzo podobne do dźwiękowych. Poczynania geofizyków przypominają zatem próby opisania konstrukcji fortepianu wyłącznie na podstawie jego dźwięków, dobywanych przy tym całkiem chaotycznie. Dzięki przemyślności sejsmologów beznadziejne wydawałoby się przedsięwzięcie okazuje się wykonalne.

Już pierwsze systematyczne pomiary heliosejsmologiczne z lat 70-tych dostarczyły wartościowych informacji o wewnętrznej budowie Słońca. Jednak pełne wykorzystanie metod sejsmicznych wymagało obserwowania tarczy słonecznej nie w przeciągu godzin, jak to wówczas robiono, lecz raczej tygodni, a nawet miesięcy, aby zarejestrować jak powierzchnia gwiazdy rozkołysuje się, a później uspokaja. Niestety ruch obrotowy Ziemi, dzięki któremu Słońce wschodzi i zachodzi, bardzo komplikuje prowadzenie takich długotrwałych pomiarów. W latach 80-tych zainicjowano kilka dużych projektów badawczych pozwalających pokonać tę trudność.

Zespół francusko-amerykański usadowił się na Biegunie Południowym, gdzie w czasie antarktycznego lata Słońce nie chowa się za horyzontem. Jednak pogoda na Biegunie nawet latem nie jest szczególnie dobra - rzadko się zdarza kilka dni z rzędu bez chmur, więc i warunki do heliosejsmicznych pomiarów są mało sprzyjające.

Znacznie bardziej obiecującym rozwiązaniem jest projekt GONG (Global Oscillation Network Group), w ramach którego prowadzi się ciągłą obserwacje Słońca z sześciu różnych punktów na Ziemi (Kalifornia, Hawaje, Australia, Indie, Hiszpania, Chile) za pomocą sześciu identycznych urządzeń połączonych w sieć. Po kilku latach przygotowań i prób GONG uzyskał jesienią 1995 roku pełną sprawność i rozpoczął trzyletni program badań. W ciągu każdej minuty obserwacji z jednego punktu sporządzana jest szczegółowa mapa tarczy słonecznej. Następnie zbiera się i porównuje takie mapy wykonane przez wszystkie sześć urządzeń w ciągu wielu tygodni obserwacji.

I w końcu rozwiązanie najprostsze, lecz najdroższe. Wysiłkiem Europejskiej Agencji Kosmicznej przygotowano misję satelity SOHO (Solar Heliospheric Observatory) wyniesionego w kosmos w grudniu 1995 roku. Satelita znajduje się obecnie półtora miliona kilometrów od naszej planety, więc obserwuje Słońce nie będąc narażonym na kaprysy ziemskiej atmosfery. Pierwsze przesłane dane pokazały doskonała, niedostępną dla ziemskich obserwatoriów, jakość pomiarów wykonanych przez SOHO.

Specjaliści od fizyki Słońca wiążą wielkie nadzieje z projektami GONG i SOHO. Wierzą, że dzięki nim rozwiązane zostaną wspomniane na wstępie zagadki: plam słonecznych, zmiennej aktywności, czy deficytu neutrin. Przypuszcza się, że sejsmologia słoneczna prześcignie już wkrótce ziemską i wówczas więcej wiedzieć będziemy o najbliższej nam gwieździe niż o tym, co kryje się pod naszymi stopami.

(POLITYKA 7, 1997)