Самые ранние датируемые рисунки солнечных пятен основаны на наблюдениях Иоганна Кеплера за солнцем с помощью камеры-обскуры в мае 1607 года. Источник: Kepler, J. 1609, Phaenomenon singulare seu Mercurius in Sole, Thomae Schureri, Lipisiae.
Используя современные методы, исследователи заново изучили полузабытые рисунки солнечных пятен Иоганна Кеплера и раскрыли ранее скрытую информацию о солнечных циклах до грандиозного солнечного минимума.
Воссоздав условия наблюдений великого астронома и применив закон Шпёрера в свете современной статистики, международная группа ученых под руководством Нагойского университета в Японии измерила положение группы солнечных пятен Кеплера, поместив ее в конец солнечного цикла, предшествующего циклу, свидетелями которого позднее стали Томас Харриот, Галилео Галилей и другие первые телескопические наблюдатели.
Результаты исследования группы, опубликованные в Astrophysical Journal Letters, дают ключ к разрешению спора о продолжительности солнечных циклов в начале XVII века, которые связаны с переходом от регулярных солнечных циклов к грандиозному солнечному минимуму, известному как минимум Маундера (1645–1715).
Большой солнечный минимум — это аномально длительный период низкой активности солнечных пятен, который важен для исследователей, поскольку он позволяет им получить информацию о солнечной активности и ее влиянии на Землю.
Важные наблюдения Кеплера
Кеплер, известный своими историческими достижениями в астрономии и математике, сделал одну из самых ранних датируемых инструментальных записей солнечной активности в начале 17 века, до самых первых телескопических рисунков солнечных пятен. Он использовал аппарат, известный как камера-обскура, состоящий из небольшого отверстия в стене, чтобы проецировать изображение солнца на лист бумаги, что позволило ему зарисовать видимые особенности на солнце.
В мае 1607 года он записал то, что ошибочно интерпретировал как прохождение Меркурия через Солнце, позже выясненное как наблюдение группы солнечных пятен. Солнечные пятна — это области на поверхности Солнца, которые кажутся темнее из-за интенсивной магнитной активности. Их возникновение, частота и широтное распределение проявляются в циклах, которые влияют на солнечную радиацию и космическую погоду.
Хисаши Хаякава, ведущий автор исследования, считает, что исследователи недооценили значимость этого открытия.
«Поскольку эта запись не была телескопическим наблюдением, она обсуждалась только в контексте истории науки и не использовалась для количественного анализа солнечных циклов в 17 веке», — сказал он. «Но это старейший набросок солнечных пятен, когда-либо сделанный с помощью инструментального наблюдения и проекции».
Он продолжил: «Мы поняли, что этот рисунок солнечного пятна должен был бы подсказать нам его местоположение и указать фазу солнечного цикла в 1607 году, если бы нам удалось сузить точку и время наблюдения и реконструировать наклон гелиографических координат, то есть положения объектов на поверхности Солнца, в тот момент времени».
Основываясь на наблюдениях Кеплера, исследователи предположили диапазон границ цикла между солнечными циклами −14 и −13, как указано красными линиями, в сравнении с реконструкциями числа солнечных пятен (групп), основанными на записях солнечных пятен на синей кривой (Svalgaard & Schatten, 2016) и данных годичных колец 14C на черной кривой (Usoskin et al., 2021) и зеленой кривой (Miyahara et al., 2021). Реконструкция авторов противоречит спорному утверждению о чрезвычайно коротких и чрезвычайно удлиненных солнечных циклах (зеленый) и соответствует регулярным солнечным циклам (черный). Кредит: д-р Хисаши Хаякава
XVII век: ключевое время для астрономии
Наблюдения были важны, поскольку XVII век был ключевым периодом в солнечном цикле, не только как время, когда только начались наблюдения за солнечными пятнами, но и как время, когда солнечная активность перешла от обычных солнечных циклов к минимуму Маундера — уникальному грандиозному солнечному минимуму в истории наблюдений.
Не до конца понятно, как характер солнечной активности сместился от регулярных циклов к грандиозному минимуму, за исключением того, что переход был постепенным. Одна из предыдущих реконструкций на основе годичных колец утверждала последовательность, состоящую из чрезвычайно короткого солнечного цикла (≈ 5 лет) и чрезвычайно длинного солнечного цикла (≈ 16 лет), связывая эти аномальные длительности солнечных циклов с предшественником перехода от регулярных солнечных циклов к грандиозному солнечному минимуму.
«Если это правда, это действительно было бы интересно. Однако другая реконструкция на основе годичных колец деревьев указала на последовательность солнечных циклов с нормальной продолжительностью», — сказал Хисаши Хаякава из Нагойского университета. «Тогда какой реконструкции мы должны доверять? Крайне важно проверить эти реконструкции с помощью независимых — желательно наблюдательных — записей».
Четыре основных вывода
Запись солнечных пятен Кеплера является ключевым источником наблюдений. Анализируя записи Кеплера и сравнивая их с современными данными и современной статистикой, исследователи сделали несколько важных открытий:
Во-первых, после «депроекции» рисунков солнечных пятен Кеплера и компенсации угла положения Солнца, они поместили группу солнечных пятен Кеплера на низкую гелиографическую широту. Это говорит о том, что знаменитый схематический рисунок солнечного изображения, который Кеплер изобразил в своей книге, не согласуется с оригинальным текстом Кеплера и двумя изображениями камеры-обскуры, которые показывают солнечное пятно в верхней левой части солнечного диска.
Группа солнечных пятен, видимая невооруженным глазом 11 мая 2024 года, сфотографированная ︎ ETH Teague, одним из авторов указанной статьи. Кредит: ETH Teague
Во-вторых, применив закон Шпёрера и знания, полученные из современной статистики солнечных пятен, они определили, что группа солнечных пятен, вероятно, расположена в конце солнечного цикла -13, а не в начале солнечного цикла -14.
В-третьих, их выводы контрастируют с более поздними телескопическими наблюдениями, которые показывают солнечные пятна на более высоких широтах. «Это показывает типичный переход от предыдущего солнечного цикла к следующему циклу в соответствии с законом Шпёрера», — сказал Томас Тиг, наблюдатель WDC SILSO и член группы, имея в виду немецкого астронома Густава Шпёрера, который описал миграцию солнечных пятен с более высоких широт на более низкие во время солнечного цикла.
В-четвертых, это открытие позволяет авторам приблизительно оценить переход между предыдущим солнечным циклом (-14) и следующим солнечным циклом (-13) между 1607 и 1610 годами, сужая возможные даты, когда это произошло. На этой основе записи Кеплера предполагали регулярную продолжительность солнечного цикла-13, бросая вызов альтернативным реконструкциям, которые предполагают чрезвычайно длинный цикл в течение этого периода.
Наследие Кеплера
«Наследие Кеплера выходит за рамки его наблюдательного мастерства; оно дает пищу для продолжающихся дебатов о переходе от регулярных солнечных циклов к минимуму Маундера — периоду чрезвычайно низкой солнечной активности и аномальной асимметрии полушарий между 1645 и 1715 годами», — пояснил Хаякава.
«Располагая выводы Кеплера в рамках более широких реконструкций солнечной активности, ученые получают важный контекст для интерпретации изменений в поведении Солнца в этот решающий период, знаменующий переход от регулярных солнечных циклов к большому солнечному минимуму».
«Кеплер внес множество исторических вкладов в астрономию и физику XVII века, оставив свое наследие даже в космическую эру», — сказал Хаякава.
«Здесь мы дополняем это, показывая, что записи Кеплера о солнечных пятнах на несколько лет старше существующих телескопических записей о солнечных пятнах от 1610 года. Его зарисовки солнечных пятен служат свидетельством его научной проницательности и упорства перед лицом технологических ограничений».
Сабрина Беше, научный сотрудник Королевской обсерватории Бельгии, добавила: «Как сказал мне один из моих коллег, очень интересно наблюдать, как записи наследия исторических личностей даже спустя столетия несут в себе важнейшие научные выводы для современных ученых».
«Я сомневаюсь, что они могли себе представить, что их записи принесут пользу научному сообществу намного позже, уже после их смерти. Нам еще многому предстоит научиться у этих исторических личностей, помимо истории самой науки. В случае с Кеплером мы стоим на плечах научного гиганта».
Информация от: Нагойским университетом
