Гелиосейсмология измеряет непрозрачность Солнца

Машина Z, крупнейший в мире генератор рентгеновских лучей, находится в Альбукерке, штат Нью-Мексико. В рамках программы Pulsed Power Program, которая стартовала в Sandia National Laboratories в 1960-х годах, машина Z концентрирует электрическую энергию и превращает ее в короткие импульсы огромной мощности, которые затем можно использовать для генерации рентгеновских лучей и гамма-лучей. Автор: Randy Montoya/Sandia National Laboratories

Исследователи разработали инновационный метод, использующий гелиосейсмологию для измерения солнечной радиационной непрозрачности в экстремальных условиях. Их работа, опубликованная в Nature Communications, не только раскрывает пробелы в нашем понимании атомной физики, но и подтверждает недавние экспериментальные результаты, тем самым открывая новые перспективы в астрофизике и ядерной физике.

Новое международное исследование под руководством Гаэля Булджен, исследователя из Льежского университета, использовало гелиосейсмические методы для независимого измерения поглощения высокоэнергетического излучения солнечной плазмой в глубоких слоях ее структуры. Эта совместная работа проливает новый свет на солнечную лучистую непрозрачность, важнейшую физическую величину для понимания взаимодействия между материей и излучением в экстремальных условиях недр Солнца.

Результаты подтверждают наблюдения, сделанные в таких лабораториях, как Сандийская национальная лаборатория, и продолжающиеся исследования в Ливерморской национальной лаборатории, одновременно выявляя сохраняющиеся пробелы в нашем понимании атомной физики и различия между прогнозами исследовательских групп в Лос-Аламосской национальной лаборатории, Университете штата Огайо и исследовательском центре CEA Париж-Сакле во Франции.

Миссия ESA Plato, PLAnetary Transits and Oscillations of stars, будет использовать свои 26 камер для изучения экзопланет земного типа на орбитах вплоть до обитаемой зоны звезд, подобных Солнцу. Миссия обнаружит размеры экзопланет и обнаружит экзолуны и кольца вокруг них. Plato также охарактеризует их родительские звезды, изучая крошечные изменения в получаемом им звездном свете. Автор: ESA

Непревзойденная точность звездного моделирования

Научная группа использовала передовые численные инструменты, разработанные в Университете Льежа, опираясь на опыт университета в области гелиосейсмологии и звездного моделирования.

«Обнаруживая акустические волны Солнца с непревзойденной точностью, мы можем реконструировать внутренние свойства нашей звезды, примерно так же, как мы бы определяли характеристики музыкального инструмента по звукам, которые он производит», — объясняет Булджен.

Точность гелиосейсмических измерений исключительна: они позволяют нам оценить массу кубического сантиметра материи внутри Солнца с точностью, превосходящей точность кухонных весов высокой точности, даже не видя и не касаясь материи. Гелиосейсмология, разработанная в конце двадцатого века, сыграла важную роль в развитии фундаментальной физики.

В частности, он способствовал крупным открытиям, таким как нейтринные осцилляции, которые были отмечены Нобелевской премией 2015 года. Эти достижения показали, что солнечные модели не виноваты в происхождении этого явления. Тем не менее, потребовались корректировки с пересмотром химического состава Солнца в 2009 году, подтвержденным в 2021 году. Этот пересмотр вызвал кризис солнечных моделей, которые больше не согласовывались с гелиосейсмическими наблюдениями.

EIT (Extreme Ultraviolet Imaging Telescope) SOHO снимает солнечную атмосферу на нескольких длинах волн и, следовательно, показывает солнечный материал при разных температурах. На снимках, сделанных при 304 ангстремах, яркий материал находится при 60 000–80 000 К. На снимках, сделанных при 171, при 1 миллионе Кельвинов. Изображения при 195 ангстремах соответствуют примерно 1,5 миллионам Кельвинов. Чем выше температура, тем выше вы смотрите в солнечную атмосферу. Автор: SOHO instrument consortium

Чтобы справиться с этой задачей, в Льежском университете были разработаны передовые инструменты, изначально в рамках докторской работы, а затем обогащены в ходе международного сотрудничества в Бирмингеме и Женеве. Эти инструменты позволили пересмотреть внутренние термодинамические условия Солнца и вновь открыть вопрос, который научное сообщество несколько игнорировало.

В то же время работа, проведенная в 2015 году Джеймсом Бейли в Национальной лаборатории Сандия, подчеркнула решающую роль радиационной непрозрачности. Первые экспериментальные измерения поначалу были встречены с некоторым скептицизмом, поскольку они выявили значительные различия с теоретическими предсказаниями.

Сегодняшние гелиосейсмические измерения дают ценное подтверждение и позволяют определить температурные, плотностные и энергетические режимы, в которых должны быть сосредоточены эти эксперименты, чтобы лучше воспроизводить солнечные условия. Кроме того, эксперименты Z Machine, хотя и чрезвычайно ценны, имеют непомерно высокие энергетические и финансовые затраты. Гелиосейсмические измерения, с другой стороны, предлагают экономичную и дополнительную альтернативу, направляя экспериментаторов к оптимальным окнам для их лабораторных измерений.

Последствия этого исследования выходят далеко за рамки звездного моделирования. Оно повышает точность теоретических моделей, используемых для оценки возраста и массы звезд и экзопланет, тем самым способствуя нашему пониманию галактической эволюции и звездных популяций.

«Солнце — наш великий калибратор звездной эволюции, наша предпочтительная лаборатория для выяснения того, находимся ли мы на правильном пути или нет. Эти результаты становятся еще более важными, поскольку мы готовимся к запуску спутника PLATO в 2026 году, одной из целей которого является точная характеристика звезд солнечного типа для поиска пригодных для жизни планет земной группы.

«Более того, эти результаты имеют резонанс в ядерном синтезе, поскольку Солнце остается единственным стабильным ядерным реактором в нашей солнечной системе. Улучшение нашего понимания внутренних условий Солнца напрямую влияет на исследования в области термоядерной энергии, что является ключевым вопросом в разработке решений в области чистой энергии», — добавляет Булджен.

Результаты подчеркивают необходимость улучшения существующих атомных моделей для устранения расхождений между экспериментальными наблюдениями и теоретическими расчетами. Эти достижения должны пересмотреть наше понимание звездной эволюции и физических процессов, которые управляют структурой и эволюцией звезд. Это исследование подтверждает позицию Льежского университета на переднем крае астрофизической науки, демонстрируя ключевую роль гелиосейсмологии в раскрытии тайн космоса.

Больше информации: Gaël Buldgen et al. Helioseismic inference of the solar radiative opacity, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/S41467-024-54793-Y, www.nature.com/articles/s41467-024-54793-y

Источник: University de Liege