Een team van zonnefysici onder leiding van Laurent Gizon van het Max Planck Institute for Solar System Research (MPS) en de Universiteit van Göttingen in Duitsland heeft de ontdekking gerapporteerd van wereldwijde oscillaties van de zon met zeer lange perioden, vergelijkbaar met de zonnerotatieperiode van 27 dagen. De trillingen manifesteren zich aan het zonneoppervlak als wervelende bewegingen met snelheden in de orde van grootte van 5 kilometer per uur. Deze bewegingen werden gemeten door 10 jaar observaties van NASA's Solar Dynamics Observatory (SDO) te analyseren. Met behulp van computermodellen, de wetenschappers hebben aangetoond dat de nieuw ontdekte oscillaties resonantiemodi zijn en hun bestaan ​​te danken hebben aan de differentiële rotatie van de zon. De oscillaties zullen helpen nieuwe manieren te vinden om het binnenste van de zon te onderzoeken en informatie te verkrijgen over de innerlijke structuur en dynamiek van onze ster. De wetenschappers beschrijven hun bevindingen in een brief die vandaag in het tijdschrift verschijnt Astronomie en astrofysica .

In de jaren zestig werden de hoge muzieknoten van de zon ontdekt:de zon rinkelt als een bel. Miljoenen modi van akoestische oscillaties met korte perioden, bijna 5 minuten, worden geëxciteerd door convectieve turbulentie nabij het zonneoppervlak en worden gevangen in het binnenste van de zon. Deze oscillaties van 5 minuten zijn sinds het midden van de jaren negentig continu waargenomen door telescopen op de grond en ruimteobservatoria en zijn met veel succes door helioseismologen gebruikt om meer te weten te komen over de interne structuur en dynamiek van onze ster - net zoals seismologen leren over het binnenste van de Aarde door aardbevingen te bestuderen. Een van de triomfen van de helioseismologie is dat ze de rotatie van de zon in kaart heeft gebracht als een functie van diepte en breedtegraad (de differentiële rotatie van de zon).

Naast de oscillaties van 5 minuten, meer dan 40 jaar geleden werd voorspeld dat er oscillaties met een veel langere periode in sterren zouden bestaan, maar was tot nu toe niet op de zon geïdentificeerd. "De oscillaties op lange termijn zijn afhankelijk van de rotatie van de zon; ze zijn niet akoestisch van aard, " zegt Laurent Gizon, hoofdauteur van de nieuwe studie en directeur bij de MPS. "Het detecteren van de langdurige oscillaties van de zon vereist metingen van de horizontale bewegingen aan het oppervlak van de zon gedurende vele jaren. De continue waarnemingen van de Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) aan boord van SDO zijn perfect voor dit doel."

Het team observeerde vele tientallen vormen van oscillatie, elk met zijn eigen oscillatieperiode en ruimtelijke afhankelijkheid. Sommige vormen van oscillatie hebben maximale snelheid aan de polen, sommige op de middelste breedtegraden, en sommige in de buurt van de evenaar. De modi met maximale snelheid nabij de evenaar zijn Rossby-modi, die het team in 2018 al had geïdentificeerd. "De oscillaties met een lange periode manifesteren zich als zeer langzame wervelende bewegingen aan het oppervlak van de zon met snelheden van ongeveer 5 kilometer per uur - ongeveer hoe snel een persoon loopt, " zegt Zhi-Chao Liang van MPS. Kiran Jain van NSO, samen met B. Lekshmi en Bastian Proxauf van MPS, bevestigde de resultaten met gegevens van de Global Oscillation Network Group (GONG), een netwerk van zes zonne-observatoria in de VS, Australië, Indië, Spanje, en Chili.

Om de aard van deze trillingen te identificeren, het team vergeleek de waarnemingsgegevens met computermodellen. "Met de modellen kunnen we in het binnenste van de zon kijken en de volledige driedimensionale structuur van de trillingen bepalen, " legt MPS-afgestudeerde student Yuto Bekki uit. Om de modeloscillaties te verkrijgen, het team begon met een model van de structuur en differentiële rotatie van de zon afgeleid uit helioseismologie. In aanvulling, de sterkte van de convectieve aandrijving in de bovenste lagen, en de amplitude van turbulente bewegingen wordt in het model meegenomen. De vrije oscillaties van het model worden gevonden door kleine amplitudeverstoringen in het zonnemodel te beschouwen. De corresponderende snelheden aan het oppervlak komen goed overeen met de waargenomen oscillaties en stelden het team in staat om de modi te identificeren.

"Al deze nieuwe oscillaties die we op de zon waarnemen, worden sterk beïnvloed door de differentiële rotatie van de zon, ", zegt MPS-wetenschapper Damien Fournier. De afhankelijkheid van de zonnerotatie met de breedtegraad bepaalt waar de modi maximale amplituden hebben. "De oscillaties zijn ook gevoelig voor eigenschappen van het binnenste van de zon:met name voor de sterkte van de turbulente bewegingen en de bijbehorende viscositeit van het zonnemedium, evenals de kracht van de convectieve aandrijving, " zegt Robert Cameron van MPS. Deze gevoeligheid is sterk aan de basis van de convectiezone, ongeveer tweehonderdduizend kilometer onder het zonneoppervlak. "Net zoals we akoestische oscillaties gebruiken om te leren over de geluidssnelheid in het binnenste van de zon met helioseismologie, we kunnen de lange periode oscillaties gebruiken om meer te weten te komen over de turbulente processen, " hij voegt toe.

"De ontdekking van een nieuw type zonnetrillingen is erg opwindend omdat het ons in staat stelt eigenschappen af ​​te leiden, zoals de sterkte van de convectieve aandrijving, die uiteindelijk de zonnedynamo aansturen, ", zegt Laurent Gizon. Het diagnostische potentieel van de lange-periode-modi zal de komende jaren volledig worden gerealiseerd met behulp van een nieuw exaschaal-computermodel dat wordt ontwikkeld als onderdeel van het project WHOLESUN, ondersteund door een Synergy Grant van de European Research Council 2018.