Sterrenkundigen hebben ontdekt dat de magnetische activiteit in de zon wordt samengeperst in een steeds kleiner gebied onder het oppervlak, wat gevolgen heeft voor ruimteweersvoorspellingen en heliofysica.
Volgens een studie die woensdag in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society is gepubliceerd, ondergaat de zon opvallende, langdurige veranderingen in haar gedrag die meer dan tien jaar onopgemerkt zijn gebleven.
De zon doorloopt een cyclus van hoge en lage activiteit die ongeveer 11 jaar duurt en dat wordt veroorzaakt door variaties in de magnetische activiteit van de ster. Deze activiteit bereikt een piek tijdens een zonne-maximum, wat leidt tot frequentere zonnevlekken en een hogere radioflux, die bekendstaan als oppervlakte-indicatoren van intense magnetische activiteit, evenals dramatische uitbarstingen zoals flares en coronale massa-ejecties. Tijdens een zonne-minimum, wanneer de magnetische activiteit afneemt, komt de zon in een rustigere fase terecht. Gedurende de hele cyclus oscilleren geluidsgolven, bekend als p-modi, nabij het oppervlak van de zon en geven ze aanwijzingen over de interne structuur ervan.
Al het bovenstaande is algemeen bekend, maar met behulp van nieuwe instrumenten hebben astronomen onlangs een merkwaardige discrepantie ontdekt tussen oppervlakte- en p-modussignalen. Deze discrepantie is meer dan tien jaar geleden ontstaan en is vooral in het huidige tijdperk, cyclus 25, dat in 2019 begon, sterk toegenomen.
“In wezen kunnen we de p-modi gebruiken als een indicator en een middel om activiteit onder het oppervlak van de zon te meten, omdat de frequenties veranderen als reactie op het veranderende magnetische veld”, aldus Bill Chaplin, hoogleraar astrofysica aan de Universiteit van Birmingham en leider van het onderzoek.
“Het aantal zonnevlekken en de radioflux zijn in feite indicatoren voor de totale hoeveelheid magnetische flux,” vervolgde hij. “Met de p-modi proberen we te achterhalen wat er zich daadwerkelijk onder het zichtbare oppervlak afspeelt.”
Om die vraag te beantwoorden, onderzochten Chaplin en zijn collega’s vier decennia aan observaties van het Birmingham Solar Oscillations Network (BiSON), een verzameling van zes op afstand gelegen zonneobservatoria over de hele wereld die sinds 1976 de oscillaties van de zon volgen.
Hoewel astronomen al eeuwenlang zonnevlekken observeren, heeft BiSON onderzoekers in staat gesteld langetermijnverschuivingen in de “helioseismologie” te volgen. Deze meetmethode registreert de seismische activiteit in de zon en heeft geleid tot de recente ontdekking van zogenaamde “glitches” en andere voorheen ondetecteerbare zonneverschijnselen.
“Er bestaat een neiging om te denken dat, omdat we slechts gegevens hebben over een paar cycli, alle cycli er hetzelfde uitzien en dat ze elkaar kopiëren en herhalen,” zei Chaplin. “Ik denk dat het steeds duidelijker wordt dat dat niet het geval is. Geen enkele cyclus is hetzelfde als een andere.”
Uit het nieuwe onderzoek blijkt dat cyclus 25 een sterkere hoogfrequente p-modusactiviteit net onder het oppervlak vertoont in vergelijking met recente cycli, maar dat deze activiteit ook zwakker lijkt te zijn in termen van oppervlakte-indicatoren, wat betekent dat er relatief minder zonnevlekken en een lagere radioflux te zien zijn. Deze discrepantie suggereert dat de magnetische activiteit met elke opeenvolgende cyclus steeds meer is geconcentreerd in een gebied van enkele honderden kilometers onder het oppervlak, hoewel de onderliggende oorzaak van deze verandering onduidelijk is.
“We zagen een heel duidelijk signaal in de hoogfrequente modi,” zei Chaplin. “Je kunt in de hoogfrequente modi zien dat de huidige cyclus net zo sterk is als cyclus 22 en 23 en dat het beeld er in de proxy’s heel anders uitziet.”
De resultaten suggereren dat oppervlakteproxy’s, hoewel waardevol als ruwe schattingen van magnetische activiteit, geen volledig beeld geven van de woelige dynamiek die zich onder het zonneoppervlak afspeelt. Chaplin en zijn collega’s merken op dat verschillende andere studies bewijs hebben geleverd voor veranderingen op lange termijn in zonneverschijnselen nabij het oppervlak, maar dat er meer onderzoek nodig is om te begrijpen wat deze trends veroorzaakt.
Daarom is het team van plan om cyclus 25 te blijven observeren, die net zijn maximum heeft bereikt en naar verwachting tegen het einde van de 20-er jaren met een minimum zal eindigen. De onderzoekers vermoeden dat de structurele veranderingen verband houden met de langere Hale-cyclus, een periode die twee zonnecycli omvat – ongeveer 22 jaar. Omdat de magnetische polen van de zon na elke zonnecyclus omkeren, meet de Hale-cyclus de tijd die de zon nodig heeft om terug te keren naar zijn oorspronkelijke magnetische toestand.
Deze langdurige observaties onthullen langzaam maar zeker de raadselachtige innerlijke werking van de zon, met name de zonnedynamo – het proces dat het magnetische veld opwekt – dat nog steeds slecht begrepen wordt. Deze inspanningen kunnen helpen bij het verfijnen van voorspellingen van gevaarlijk ruimteweer in de buurt van de aarde, en tegelijkertijd meer inzicht geven in het gedrag van andere sterren.
“Het verkrijgen van betrouwbaardere voorspellingen van ruimteweer is belangrijk, maar vanuit wetenschappelijk oogpunt is er ook behoefte aan een beter begrip van de dynamo en hoe deze verandert over lange tijdschalen,” aldus Chaplin.
“Helioseismologie is belangrijk omdat het je in staat stelt om in de zon te kijken, iets wat op geen enkele andere manier mogelijk is,” concludeerde hij.