Elke ochtend, astronoom Steve Padilla maakt een korte wandeling van zijn huis naar de voet van een toren die 50 voet boven de grond zweeft. Verscholen in de San Gabriel Mountains, ongeveer een uur rijden ten noorden van Los Angeles, het Mount Wilson Observatorium is al lang een thuis voor ruimtewetenschap - het is ook Padilla's thuis, een van de voordelen van zijn werk als zonnewaarnemer van Mount Wilson. Mount Wilson heeft verschillende schildwachten in het zonnestelsel; de telescoop op de top van deze toren houdt constant de zon in de gaten. Waarnemers bestuderen de zon nauwkeurig, zodat we het leven en de activiteit van onze ster beter kunnen begrijpen.

Padilla stapt in de buitenlift. Hij klemt zichzelf vast aan een veiligheidsharnas, die aan de openluchtcabine is bevestigd, dezelfde die elke dag wordt gebruikt sinds de telescoop in 1912 in gebruik werd genomen (de kabels zijn inmiddels vervangen).

"Het kan een beetje eng zijn op winderige dagen, ' zei Padilla.

Op de top, Padilla stelt een set spiegels bij die een beeld van de zon projecteren in een observatiekamer ver beneden. Terug op de grond, hij gebruikt een reeks potloden, variërend in grafietgewicht, om de donkere vlekken te schetsen die het gezicht van de zon spikkelen. Dit dagelijkse karwei is de basis van het zonnevlekkengetal, ons langste record van zonneactiviteit. Mensen hebben gedurende meer dan 1 jaar zonnevlekken waargenomen - donkere vlekken die ontstaan ​​door sterke magnetische activiteit. 000 jaar, en volgde ze in detail sinds de uitvinding van de telescoop, voor de afgelopen 400. Zelfs met de hedendaagse massa ruimtevaartuigen die de zon bestuderen, de tijd nemen om zonnevlekken te tekenen blijft de belangrijkste manier waarop ze worden geteld. Het onderzoeken van zonnevlekken is de meest elementaire manier waarop we bestuderen hoe zonneactiviteit in de loop van de tijd stijgt en daalt, en het is de basis van hoe we de zonnecyclus volgen.

zonnevlekken corresponderen met de natuurlijke 11-jarige cyclus van de zon, waarin de zon verschuift van relatief kalm naar stormachtig. Op zijn meest actieve zonnemaximum genoemd, de zon is bezaaid met zonnevlekken en zijn magnetische polen zijn omgekeerd. (Op aarde, dat zou hetzelfde zijn als wanneer de Noord- en Zuidpool elk decennium omslaan.) Tijdens het zonneminimum, zonnevlekken zijn zeldzaam. Vaak, de zon is zo leeg en karakterloos als een eigeel.

Het gedrag van de zon begrijpen is een belangrijk onderdeel van het leven in ons zonnestelsel. De krachtige uitbarstingen van de zon kunnen de satellieten en communicatiesignalen die rond de aarde reizen verstoren, of op een dag, Artemis-astronauten die verre werelden verkennen. Wetenschappers van NASA bestuderen de zonnecyclus zodat we zonneactiviteit beter kunnen voorspellen. Vanaf 2020, de zon begint de slaap van het minimum af te schudden, die plaatsvond in december 2019. Zonnecyclus 25 is aan de gang, en wetenschappers willen graag nog een kans om hun begrip van zonnecyclustekens op de proef te stellen.

"Het belangrijkste om te onthouden met voorspellingen is, je gaat het mis hebben, " zei decaan Pesnell, een zonnecyclus-expert bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "Je zult nooit perfect zijn. Het is wat je daarvan leert, waarmee u vooruitgang kunt boeken in uw voorspellingen."

Tijdens slaperig zonneminimum, Padilla zag meer smetteloze dagen. "Er zijn geen plekken om te tekenen, dus ik heb gewoon een papier met niets erop, " zei hij. Zelfs de afwezigheid van zonnevlekken is een nuttige observatie:het optellen van smetteloze dagen is een indicator dat de stemming van de zon naar het minimum verschuift. (In plaats van zonnevlekken, donkere coronale gaten vertroebelen de polen van de zon minimaal.) in zonnemaximum, honderden vlekken kunnen zich tegelijk vormen. Sommige tekeningen kunnen enkele uren in beslag nemen.

"De zon heeft zijn eigen tempo dat we niet kunnen versnellen, " zei Frederic Clette, directeur van het World Data Center for the sunspot Index and Long-term Solar Observations, of SILSO, aan de Koninklijke Sterrenwacht van België in Brussel, die zonnevlekken volgt en de hoogte- en dieptepunten van de zonnecyclus aangeeft. "Soms, we hebben moeite het ongeduld te temperen van mensen die van de ene op de andere dag verwachten te weten of de zon echt weer wakker wordt."

Rond de wereld, waarnemers voeren dagelijks zonnevlekkentellingen uit. Ze tekenen de zon elke dag op hetzelfde tijdstip, dezelfde tools gebruiken voor consistentie. Samen, hun waarnemingen vormen het internationale zonnevlekkengetal, een complexe taak van SILSO. Ongeveer 80 stations over de hele wereld dragen hun gegevens bij. Hoeveel stations er precies in de telling van elke dag worden opgenomen, hangt af van een aantal factoren, zoals het weer (wolken en harde wind belemmeren het zicht op de zon), of misschien heeft een zonnewaarnemer een last-minute afspraak.

Ondanks de inmenging van het dagelijks leven, deze handmatige enquêtes zijn nog steeds de meest betrouwbare, lange termijn record van zonnevlekken die we hebben.

"Satellieten kunnen veel dingen beter dan met de hand tekenen, " zei Olivier Lemaître, een zonnewaarnemer van de Koninklijke Sterrenwacht van België. "Maar denk aan een satelliet met een levensduur van 10 tot 15 jaar - dat is slechts één zonnecyclus. Je kunt het niet vergelijken met iets anders buiten die levensduur."

Maar langetermijnstudies vormen de ruggengraat van de wetenschap van de zonnecyclus. Met uitgebreide historische gegevens, wetenschappers kunnen de boog van decennialange patronen in het gedrag van de zon traceren. Als het gaat om het tellen van zonnevlekken, het gaat niet zozeer om de nauwkeurigheid of resolutie van de waarnemingen als wel om de consistentie van de gegevens zelf. Zelfs toen hun stad werd gesloten vanwege de pandemie van het coronavirus, een waarnemer van het Royal Observatory-team ging elke dag naar de telescooptoren, om het dossier intact te houden.

Lemaître benadert elke zonnevlek op een methodische manier, een familie van zonnevlekken schetsen voordat ze in fijnere details schaduwen. Het delicate potloodwerk logenstraft de krachtige explosies die zonnevlekken kunnen ontketenen.

zonnevlekken ontstaan ​​uit clusters van intense magnetische energie. Gesteund door hun magnetische kracht, ze stijgen op door karnen van zonnemateriaal als een rijstkorrel in een kokende pot. zonnevlekken lijken donkerder omdat ze koeler zijn dan hun omgeving; de magnetische knoop in hun kern zorgt ervoor dat de energie niet langs het oppervlak van de zon uitstraalt. Als er voldoende magnetische energie boven de zonnevlek is opgebouwd, een krachtige uitbarsting kan losbarsten - zoals een exploderende frisdrankfles - licht en zonnematerie spuwen.

Als ze toevallig naar de aarde kijken, deze zonnestormen kunnen satellieten verstoren, astronauten, en communicatiesignalen zoals radio of GPS. De bovenste atmosfeer van de aarde zou kunnen uitzetten als reactie, vertragende satellieten in een baan om de aarde zoals onverharde wegen auto's vertragen, de levensduur van satellieten aantasten. Hoewel veranderingen op de zon meestal niet zichtbaar zijn voor ons zonder de hulp van wetenschappelijke instrumenten, ze beïnvloeden de ruimte rond de aarde en andere planeten.

Op jacht naar zonneminimum

Diep in de zon, geëlektrificeerde gassen stromen in stromen die het magnetische veld van de zon genereren, die zijn machtige uitbarstingen voedt. Tijdens het zonneminimum, het magnetische veld van de zon is ontspannen. Op het hoogtepunt van de zonnecyclus, het is een wirwar van magnetische veldlijnen. Deze stroom begrijpen, genaamd de dynamo, is de sleutel in de poging om te voorspellen wat de zon hierna zal doen.

Sinds 1989, het Solar Cycle Prediction Panel - een internationaal panel van experts gesponsord door NASA en NOAA, de National Oceanic and Atmospheric Administration - is elk decennium bijeengekomen om hun voorspelling voor de volgende zonnecyclus te doen. De voorspelling omvat het maximale aantal zonnevlekken en de verwachte start en piek van de cyclus. De inspanning vereist het beoordelen van veel verschillende modellen en het navigeren door veel persoonlijkheden.

"We hebben allemaal onze favoriete voorspellingen, of degene waar we het meeste vertrouwen in hebben, " zei Lisa Upton, een zonnefysicus bij Space Systems Research Corporation in Westminster, Colorado, en medevoorzitter van het voorspellingspanel. "Het is onze plicht om tot een consensus te komen. Als we al onze meningen en modellen nemen, waar is de meeste overlap, en waar kunnen we afspreken dat de zonnecyclus zal landen?"

Wetenschappers jagen altijd op zonneminimum, maar ze kunnen het pas achteraf herkennen. Aangezien minimum wordt gedefinieerd door het laagste aantal zonnevlekken in een zonnecyclus, wetenschappers moeten de aantallen gestaag zien stijgen voordat ze kunnen bepalen wanneer ze onderaan stonden.

Om de zaken ingewikkelder te maken, zonnecycli overlappen elkaar vaak. Als de ene cyclus overgaat in de volgende, zowel oude als nieuwe zonnevlekken verschijnen tegelijk op de zon. zonnevlekken verschijnen vaak in groepen, die als magneten zijn, elk met een positief en negatief einde. Terwijl het magnetische veld van de zon langzaam omslaat, dat geldt ook voor de polariteit van zonnevlekkengroepen. Waar de zonnevlekken van één cyclus over de zon drijven met hun positieve uiteinde voorop, de vlekken van de volgende cyclus lopen eerst negatieve voet. Daarbovenop, zonnevlekken op de twee hemisferen van de zon hebben ook tegengestelde oriëntaties.

De unieke magnetische handtekening van elke zonnevlek maakt het mogelijk om te bepalen welke cyclus het heeft veroorzaakt - de oude of de nieuwe. Wanneer de zon zich beweegt van het zonneminimum, naast het tellen van de zonnevlekken, wetenschappers willen er zeker van zijn dat alle plekken die naar de oppervlakte komen echt nieuw zijn.

"Ik waarschuw alleen mensen, want hoe opgewonden we ook zijn voor de nieuwe cyclus die gaat komen, we moeten wachten tot we daadwerkelijk het minimum bereiken, "Zei Upton. "Het kan zes tot acht maanden na het minimum duren voordat we kunnen zeggen dat het minimum daadwerkelijk heeft plaatsgevonden." pas in september 2020 bevestigden wetenschappers dat de zon in december 2019 het zonneminimum bereikte.

Onzichtbare indicatoren

Naast zonnevlekken, andere indicatoren kunnen aangeven wanneer de zon laag staat. Als het magnetische veld van de zon een puzzel was, er ontbreekt nog een stukje:het magneetveld aan de polen. Hoewel wetenschappers het polaire magnetische veld niet zo nauwkeurig kunnen meten als andere delen van de zon, schattingen geven aanwijzingen. (Spoedig, ESA, het Europees Ruimteagentschap, en NASA's Solar Orbiter zal nieuwe beelden van de polen van de zon sturen.) In eerdere cycli, wetenschappers hebben de sterkte van het polaire magnetische veld opgemerkt tijdens minimale zonne-hints op de intensiteit van het volgende maximum. Als de polen zwak zijn, het volgende maximum is zwak, en vice versa.

De afgelopen paar cycli, de sterkte van het magnetische veld aan de polen van de zon is gestaag afgenomen; zo ook het zonnevlekgetal. Nutsvoorzieningen, de polen zijn ongeveer net zo sterk als op hetzelfde punt in de vorige cyclus, Cyclus 24.

"Dit is de grote test voor onze modellen - of cyclus 25 ongeveer hetzelfde zal verlopen als cyclus 24, ' zei Penell.

Een andere indicator van de voortgang van de zonnecyclus komt van buiten het zonnestelsel. Kosmische stralen zijn hoogenergetische deeltjesfragmenten, het puin van ontplofte sterren in verre sterrenstelsels. Tijdens het zonnemaximum, het sterke magnetische veld van de zon omhult ons zonnestelsel in een magnetische cocon die voor kosmische straling moeilijk te infiltreren is. In de daljaren, het aantal kosmische stralen in het zonnestelsel stijgt naarmate er meer en meer langs de stille zon komen. Door kosmische straling zowel in de ruimte als op de grond te volgen, wetenschappers hebben nog een andere maatstaf voor de zonnecyclus.

Hoewel het minimum het vuurwerk van het maximale zonne-energie kan missen, het is nuttig voor wetenschappers. Ze maken hun prognoses, en wachten om te zien hoe hun schattingen uitpakken. Sommigen beschouwen het als een tijd om terug te keren naar de basis.

"In het zonneminimum, je kunt moeilijkere vragen stellen dan maximaal, ' zei Penell.

Een gebied van zonne-studie, genaamd helioseismologie, houdt in dat wetenschappers geluidsgolven van binnenuit de zon verzamelen, als een manier om de ongrijpbare dynamo te onderzoeken. Tijdens het zonneminimum, ze hoeven zich geen zorgen te maken over geluidsgolven die weerkaatsen op de zonnevlekken en actieve gebieden die kenmerkend zijn voor het zonnemaximum. Als zonnevlekken uit het zicht verdwijnen, wetenschappers hebben een kans om hun modellen te verfijnen - zonder al het zonnedrama.