Кіріспе
Күн сілкінісі
Гелиосейсмология – Дуглас Гофтың енгізген термині. Бұл Күннің құрылымын және динамикасын оның тербелістері арқылы зерттейтін ғылым. Бұл тербелістердің басты себебі – Күннің бетіне жақын конвекцияның әсерінен туындайтын, үнемі қозғалатын және өшетін дыбыс толқындары. Геосейсмологияға немесе астеросейсмологияға (Гофпен бірге жасалған) ұқсас, олар тиісінше Жерді және жұлдыздарды олардың тербелістері арқылы зерттейді. Күннің тербелістері алғаш рет 1960 жылдардың басында анықталғанмен, 1970 жылдардың ортасында ғана олардың Күннің ішінде таралатынын және ғалымдарға Күннің терең қабаттарын зерттеуге мүмкіндік беретіні түсінілді. Қазіргі кездегі гелиосейсмология жаһандық гелиосейсмологияға – Күннің резонанстық режимдерін тікелей зерттейтін салаға, және жергілікті гелиосейсмологияға – Күн бетіне жақын толқын компоненттерінің таралуын зерттейтін салаға бөлінеді. Гелиосейсмология ғылымның көптеген маңызды жаңалықтарына үлкен үлес қосты. Олардың ішінде ең маңыздысы – Күннен шығатын нейтрино ағыны жұлдыздық модельдердегі қателерден туындамайтынын, ал бұл бөлшектер физикасының мәселесі екенін көрсету болды. «Күн нейтриносының мәселесі» деп аталатын бұл мәселе, нейтрино тербелістері арқылы шешілді. Нейтрино тербелістерін эксперименталды түрде ашқаны үшін 2015 жылы Нобель сыйлығы физика саласында табысталды. Гелиосейсмология, сонымен қатар, Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясымен сәйкес келетін Күннің гравитациялық потенциалының квадрупольдық (және жоғары реттік) моменттерін дәл өлшеуге мүмкіндік берді. Күннің ішкі айналу профилінің алғашқы гелиосейсмикалық есептеулері, қатты айналатын ядро мен дифференциалды айналатын қабықшадан тұратын екі бөлікке бөлінетінін көрсетті. Бұл шекаралық қабат қазір тахоклин деп аталады және күннің магниттік динамосының маңызды бөлігі саналады. Ол күн конвекциясы аймағының негізімен шамамен сәйкес келсе де, одан концептуалды жағынан өзгеше, себебі ол конвекция аймағымен байланысты меридиандық ағын бар және бароклиндық пен Максвелл кернеулерінің өзара әрекеттесуімен басқарылатын шекаралық қабат. Гелиосейсмология Күнді үздіксіз бақылаудан ең көп пайда көреді, ол алғаш рет Оңтүстік полюске жақын жерде оңтүстік жазда үзіліссіз бақылаулар жүргізу арқылы басталды. Сонымен қатар, бірнеше күн циклдарының бақылаулары гелиосейсмологтарға ондаған жылдар бойы Күннің құрылымындағы өзгерістерді зерттеуге мүмкіндік берді. Мұндай зерттеулер Global Oscillations Network Group (GONG) және Birmingham Solar Oscillations Network (BiSON) сияқты ғаламдық телескоп желілерінің арқасында мүмкін болды, олар бірнеше он жылдан бері жұмыс істеп келеді.
Helioseismology, a term coined by Douglas Gough, is the study of the structure and dynamics of the Sun through its oscillations. These are principally caused by sound waves that are continuously driven and damped by convection near the Sun's surface. It is similar to geoseismology, or asteroseismology (also coined by Gough), which are respectively the studies of the Earth or stars through their oscillations. While the Sun's oscillations were first detected in the early 1960s, it was only in the mid 1970s that it was realized that the oscillations propagated throughout the Sun and could allow scientists to study the Sun's deep interior. The modern field is separated into global helioseismology, which studies the Sun's resonant modes directly, and local helioseismology, which studies the propagation of the component waves near the Sun's surface. Helioseismology has contributed to a number of scientific breakthroughs. The most notable was to show the predicted neutrino flux from the Sun could not be caused by flaws in stellar models and must instead be a problem of particle physics. The so called solar neutrino problem was ultimately resolved by neutrino oscillations. The experimental discovery of neutrino oscillations was recognized by the 2015 Nobel Prize for Physics. Helioseismology also allowed accurate measurements of the quadrupole (and higher order) moments of the Sun's gravitational potential, which are consistent with General Relativity. The first helioseismic calculations of the Sun's internal rotation profile showed a rough separation into a rigidly rotating core and differentially rotating envelope. The boundary layer is now known as the tachocline and is thought to be a key component for the solar dynamo. Although it roughly coincides with the base of the solar convection zone — also inferred through helioseismology — it is conceptually distinct, being a boundary layer in which there is a meridional flow connected with the convection zone and driven by the interplay between baroclinicity and Maxwell stresses. Helioseismology benefits most from continuous monitoring of the Sun, which began first with uninterrupted observations from near the South Pole over the austral summer. In addition, observations over multiple solar cycles have allowed helioseismologists to study changes in the Sun's structure over decades. These studies are made possible by global telescope networks like the Global Oscillations Network Group (GONG) and the Birmingham Solar Oscillations Network (BiSON), which have been operating for over several decades.
Қысым режимдері (p режимдері)
Қысым режимі – бұл, негізінен, тұрған дыбыс толқындары. Басты қалпына келтіру күші қысым (көтерілу күші емес), сондықтан осылай аталады. Күн ішкі құрылымы туралы қорытындылар жасау үшін қолданылатын барлық күн тербелістері p режимдері болып табылады, олардың жиілігі шамамен 1 мен 5 миллигерц аралығында, ал бұрыштық градустары нөлден (таза радиалды қозғалыс) басталады. Жалпы айтқанда, олардың энергия тығыздығы радиус бойынша дыбыс жылдамдығына кері пропорционал өзгереді, сондықтан олардың резонанстық жиіліктері негізінен Күннің сыртқы қабаттарымен анықталады. Осы себепті, олардан Күн ядросының құрылымын анықтау қиын.
Жер бетіндегі ауырлық режимдері (f режимдері)
Жер бетіндегі гравитациялық толқындар терең судағы толқындарға ұқсас, Лагранж қысымындағы бұзылыс шамасы нөлге жуық болады. Олар жоғары дәрежелі және ерекше қашықтыққа дейін еніп өтеді, бұл қашықтық күн радиусына тең. Жақсы жуықтау бойынша, олар терең су толқынының дисперсия заңына бағынады: , Күннің қабатталуына қарамастан, мұндағы – бұрыштық жиілік, – жер бетіндегі гравитация, – көлденең толқын саны, және олар асимптотикалық түрде осы қатынасқа жақындайды.
Сейсмология нені аша алады
Сейсмологияда сәтті қолданылған тербелістер негізінен адиабатикалық болып табылады. Олардың динамикасы – инерттік тығыздығы бар материяға қарсы қысым күштерінің (плюс болжамды Максвелл кернеулерінің) әрекеті, ал бұл тығыздық өз кезегінде олардың арасындағы адиабатикалық өзгерістегі қатынасқа байланысты, әдетте (бірінші) адиабатикалық көрсеткіш арқылы сандық тұрғыда бағаланады. Айнымалылардың тепе-теңдік мәндері және (динамикалық тұрғыдан шағын бұрыштық жылдамдық және магниттік өріспен бірге) гидростатикалық қолдау шектеуімен байланысты, ол Күннің жалпы массасы және радиусы -на тәуелді. Көрініп тұрғандай, тербеліс жиіліктері тек сейсмикалық айнымалыларға , , және , немесе олардың кез келген тәуелсіз функциялар жиынтығына ғана тәуелді. Осылайша, ақпарат тек осы айнымалылар туралы тікелей алынуы мүмкін. Адиабатикалық дыбыс жылдамдығының квадраты , осылай қабылданған функция, себебі акустикалық таралу негізінен осы шамаға байланысты. Гелий мөлшері , немесе негізгі тізбек жасы сияқты сейсмикалық емес басқа шамалардың қасиеттерін анықтау үшін қосымша болжамдармен толықтыру қажет, бұл нәтижені одан да беймаз етеді.
Әлемдік гелиосейсмология
Сейсмикалық деректерді талдаудың негізгі құралы – Фурье түрлендіруі. Шамамен айтқанда, әрбір режим – бұл өшетін гармоникалық осциллятор, оның қуаты жиілікке тәуелді Лоренц функциясы түрінде келеді. Кеңістікте шешілген деректер әдетте қажетті сфералық гармоникаларға проекцияланып, содан кейін Фурье түрлендірілген уақыт қатарлары алынады. Гелиосейсмологтар әдетте нәтижедегі бір өлшемді қуат спектрлерін екі өлшемді спектрге біріктіреді. Осцилляциялардың төменгі жиілік диапазоны грануляцияның тудырған өзгерістерімен үстемдік етеді. Режимдерді талдау алдында (немесе осы процесте) оны сүзіп тастау қажет. Күн бетіндегі грануляциялық ағымдар көбінесе көтеріліп келе жатқан гранулалардың ортасынан олардың арасындағы тар төмен ағымдарға қарай бағытталған. Осцилляцияларға қарағанда, грануляция интенсивтілік бойынша сызық бойындағы жылдамдықтан күшті сигнал береді, сондықтан гелиосейсмикалық обсерваториялар үшін соңғысы артықшылыққа ие.
Жергілікті гелиосейсмология
Жергілікті гелиосейсмология – 1993 жылы Чарльз Линдси, Даг Браун және Стюарт Джеффрис қолданған термин – байқау деректерінен қорытынды жасау үшін бірнеше әртүрлі талдау әдістерін пайдаланады. Фрэнк Хилл алғаш ұсынған сақиналық диаграмма талдауы, күн бетінің кішкентай бөліктерінде (әдетте 15° × 15°) есептелген күн тербелістерінің қуат спектрлерінен қоршаған акустикалық толқындардың Доплер жылжуларын байқау арқылы күн бетінен төменгі көлденең ағымдардың жылдамдығы мен бағытын анықтауға қолданылады. Осылайша, сақиналық диаграмма талдауы – Күннің жергілікті аймақтарына (Күннің жартысына қарағанда) қолданылатын жаһандық гелиосейсмологияның жалпылауы болып табылады. Мысалы, магниттік белсенді және тыныш Күн аймақтарындағы дыбыс жылдамдығы мен адиабаталық индексті салыстыруға болады. Уақыт-арақашықтық гелиосейсмологиясы күн бетіндегі кез келген екі нүкте арасындағы күн толқындарының жүріс уақытын өлшеу және түсіндіру мақсатын қояды. Екі нүктені байланыстыратын сәуле жолының жанындағы біртектіліктер осы екі нүкте арасындағы жүріс уақытын өзгертеді. Содан кейін, Күн ішкі құрылымы мен динамикасын анықтау үшін кері есепті шешу қажет. Чарльз Линдси мен Даг Браун алыс жақты (магниттік) бейнелеу үшін егжей-тегжейлі сипаттаған гелиосейсмикалық голография – фазаға сезімтал голографияның ерекше жағдайы. Идеясы – Күннің алыс жағындағы белсенді аймақтар туралы ақпарат алу үшін көрінетін дискідегі толқын өрісін пайдалану. Гелиосейсмикалық голографияның негізгі идеясы – толқын өрісі, мысалы, Күн бетінде байқалатын Доплер жылдамдығы, кез келген уақытта Күн ішкі аймағындағы кез келген нүктедегі толқын өрісін бағалау үшін қолданылуы мүмкін. Осы тұрғыдан алғанда, голография – 1940 жылдардан бері геофизикада қолданылып келе жатқан сейсмикалық миграцияға ұқсас. Мысалы, осы әдіс күн жарқындығының сейсмикалық суретін жасау үшін қолданылды. Тікелей модельдеудегі идея – Фурье доменіндегі толқын өрісінде байқалатын жиілік-толқын саны корреляцияларының тікелей инверсиясы арқылы жер асты ағындарын бағалау. Вудард техниканың f режимдеріндегі жер бетіне жақын ағындарды қалпына келтіру қабілетін көрсетті.
Кіріспе
Күннің тербеліс режимдері оның үздіксіз құрылымына сезімтал болатын дискретті байқаулар жиынтығын құрайды. Бұл ғалымдарға Күннің ішкі құрылымы мен динамикасы бойынша кері есептерді шешуге мүмкіндік береді. Күннің эталондық моделі болған жағдайда, оның режимдік жиіліктері мен Күннің нақты жиіліктері арасындағы айырмашылықтар (егер шағын болса) Күннің құрылымы мен эталондық модельдің құрылымы арасындағы айырмашылықтардың салмақты орташасы болып табылады. Осы жиілік айырмашылықтарын Күннің құрылымындағы өзгерістерді анықтау үшін қолдануға болады. Мұндай салмақты орташалардың салмақ функциялары ядролар деп аталады.
Құрылымы
Күн құрылымының алғашқы инверсиялары Дюваль заңы арқылы, кейіннен эталондық күн моделіне қатысты сызықтықталған Дюваль заңы арқылы жасалды. Бұл нәтижелер кейіннен теориялық эталондық модельге қатысты жұлдыздық тербелістерді сипаттайтын толық теңдеулер жиынтығын сызықтықтайтын талдаулармен толықтырылды және қазір жиілік деректерін инверсиялаудың стандартты әдісі болып табылады. Инверсиялар күн модельдеріндегі айырмашылықтарды көрсетті, олар гравитациялық тұндыруды қолдану арқылы күрт азайтылды: ауыр элементтердің күн орталығына қарай біртіндеп бөлінуі (және оларды алмастыру үшін жеңіл элементтердің бетке қарай жылжуы).
Геосейсмология
Гелиосейсмология геосейсмологиямен салыстыру арқылы пайда болды, бірақ бірнеше маңызды айырмашылықтар бар. Біріншіден, Күнде қатты бет қабат болмағандықтан, серпілу толқындарын тарату мүмкін емес. Деректерді талдау тұрғысынан қарағанда, жаһандық гелиосейсмология геосейсмологиядан тек қана қалыпты режимдерді зерттеу арқылы ерекшеленеді. Сондықтан, жергілікті гелиосейсмология толқынның толық өрісін зерттеу мағынасында геосейсмологияға көбірек ұқсайды.
Астеросейсмология
Күн жұлдыз болғандықтан, гелиосейсмология басқа жұлдыздардағы тербелістерді зерттеумен тығыз байланысты, бұл астеросейсмология деп аталады. Гелиосейсмология ең жақын сыртқы конвекциялық аймақтары тербелістерін тудырып, басаңдататын, "күнге ұқсас тербелісшілер" деп аталатын жұлдыздарды зерттеумен байланысты, бірақ негізгі теория басқа да өзгермелі жұлдыз түрлері үшін де қолданылады. Басты айырмашылық – алыс жұлдыздардағы тербелістерді анықтау мүмкін емес. Сфералық гармонияның жарық және қараңғы секторлары бір-бірін өшіріп тастайды, бұл астеросейсмологияны негізінен төмен дәрежелі режимдерді (бұрыштық дәреже) зерттеумен шектейді. Бұл инверсияны күрделендіреді, бірақ шектеулі шарттарды қолдану арқылы жоғарғы шектерді анықтау әлі де мүмкін.
Тарих
Күн тербелісі алғаш рет 1960 жылдардың басында шамамен 5 минуттық аралықта квази-периодтық қарқындылық және көру бағытындағы жылдамдық өзгеруі ретінде байқалды. Ғалымдар тербелістердің Күннің жаһандық режимдері болуы мүмкін екенін біртіндеп түсінді және олар екі өлшемді қуат спектрлерінде анық шыңдар құрайтынын болжады. Бұл шыңдар 1970 жылдардың ортасында жоғары дәрежелі режимдерді бақылау кезінде расталды, ал толық дискіні бақылау кезінде әртүрлі радиалдық тәртіптерге ие режимдердің топтары ажыратылды. Сол кезде Йорген Кристенсен Дальсгаард пен Дуглас Гоф Күннің ішкі құрылымын анықтау үшін жеке режимдердің жиіліктерін пайдалану мүмкіндігін ұсынды. Олар күн модельдерін төмен дәрежелі деректермен калибрледі, екі жақсы сәйкестік тапты: біреуі төмен және тиісінше төмен нейтрино өндіріс деңгейімен, екіншісі жоғары және жоғары; бұрынғы конверт калибрлеуі жоғары дәрежелі жиіліктер бойынша соңғысын артық көрді, бірақ нәтижелер толыққанды сендірмеді. Түнде Күнді байқау қиындығын шешу үшін бірнеше топ телескоптар желісін құрастыруды бастады (мысалы, Бирмингем Күн тербелісі желісі, немесе BiSON, және Глобалдық тербеліс желісі тобы), осылайша Күн әрқашан кем дегенде бір түйіннен көрінетін болады. Ұзақ, үздірілмейтін бақылаулар осы саланың дамуына әкелді, ал 1996 жылы Science журналының арнайы санында осы саланың жай-күйі туралы қорытынды жасалды. Бұл Күн және гелиосфералық обсерваторияның (SoHO) қалыпты жұмысын бастауымен бірге болды, ол гелиосеизмология үшін жоғары сапалы деректерді ұсына бастады. Келесі жылдары күн нейтриносы мәселесі шешілді, ал ұзақ сейсмикалық бақылаулар бірнеше күн активтігі циклдарын талдауға мүмкіндік берді. Стандартты күн модельдері мен гелиосеизмдік инверсиялар арасындағы келісім Күннің фотосферасындағы ауыр элементтердің мөлшеріне жасалған жаңа өлшемдермен бұзылды, бұл өлшемдер егжей-тегжейлі үш өлшемді модельдерге негіделген. Нәтижелер кейін 1990 жылдарда қолданылған дәстүрлі мәндерге жақын болғанмен, жаңа мөлшерлер модельдер мен гелиосеизмдік инверсиялар арасындағы келісімді айтарлықтай нашарлатты. Бұл қарама-қайшылықтың себебі әлі шешілмеген және «күн мөлшері мәселесі» деп аталады. SoHO ғарыштан бақылауларын жалғастырды және 2010 жылы Күн динамикасын бақылау обсерваториясы (SDO) SoHO-ға қосылды, ол да жұмысын бастағаннан бері Күнді үздіріссіз бақылап келеді. Сонымен қатар, жердегі желілер (әсіресе BiSON және GONG) жұмыс істеуін жалғастырып, жерден де үздіріссіз деректерді қамтамасыз етеді.
To overcome the problem of not being able to observe the Sun at night, several groups had begun to assemble networks of telescopes (e. g. the Birmingham Solar Oscillations Network, or BiSON, and the Global Oscillation Network Group) from which the Sun would always be visible to at least one node. Long, uninterrupted observations brought the field to maturity, and the state of the field was summarized in a 1996 special issue of Science magazine. This coincided with the start of normal operations of the Solar and Heliospheric Observatory (SoHO), which began producing high quality data for helioseismology. The subsequent years saw the resolution of the solar neutrino problem, and the long seismic observations began to allow analysis of multiple solar activity cycles. The agreement between standard solar models and helioseismic inversions was disrupted by new measurements of the heavy element content of the solar photosphere based on detailed three dimensional models. Though the results later shifted back towards the traditional values used in the 1990s, the new abundances significantly worsened the agreement between the models and helioseismic inversions. The cause of the discrepancy remains unsolved and is known as the solar abundance problem. Space based observations by SoHO have continued and SoHO was joined in 2010 by the Solar Dynamics Observatory (SDO), which has also been monitoring the Sun continuously since its operations began. In addition, ground based networks (notably BiSON and GONG) continue to operate, providing nearly continuous data from the ground too.