Skice Johana Keplera uspele da reše solarnu misteriju koja je mučila savremene astronome

Iako se sve u Sunčevom sistemu okreće oko Sunca, naučnici tek treba da otkriju mnoge tajne naše zvezde.

Međutim, proučavanje varijabilnosti Sunca tokom vremena, uključujući solarne cikluse, moglo bi da odgovori na neka od najdugovječnijih pitanja o vatrenoj kugli i kako se ona menja.

Neka od tih pitanja se vrte oko solarne aktivnosti u 17. veku, što je bilo ključno vreme za proučavanje Sunca.

Astronomi su prvi put posmatrali sunčeve pege teleskopima 1610. U isto vreme, Sunce je pravilo neobičan prelaz u produženi period oslabljene aktivnosti. A Keplerove dugo zanemarene skice, jer su bili crteži, a ne teleskopska posmatranja, mogle bi pružiti ključne istorijske uvide.

Nova studija koja rekonstruiše okolnosti tokom kojih je Kepler pravio svoje crteže pojavila se 25. jula u The Astrophysical Journal Letters.

„Kepler je doprineo mnogim istorijskim otkrićima u astronomiji i fizici u 17. veku, ostavljajući svoje nasleđe čak i u svemirskom dobu“, navodi glavni autor studije, Hisaši Hajakava, docent na Institutu za istraživanje životne sredine svemira i Zemlje Univerziteta Nagoja.

„Ovde smo pokazali da su Keplerovi zapisi o sunčevim pegama za nekoliko godina prethodili postojećim teleskopskim zapisima iz 1610. Njegove skice sunčevih pega služe kao svedočanstvo njegove naučne oštroumnosti i upornosti u suočavanju sa tehnološkim ograničenjima.”

Burna aktivnost Sunca

Sunce prolazi kroz jedanaestogodišnje cikluse rasta i opadanja aktivnosti, poznate kao solarni ciklus. Trenutno, naučnici veruju da Sunce dostiže ili se približava solarnom maksimumu, godišnjem vrhuncu svoje aktivnosti za trenutni solarni ciklus, nazvan Solarni ciklus 25.

Solarni maksimum je obično povezan sa povećanjem broja sunčevih pega vidljivih na površini zvezde. Ove tamne oblasti, od kojih neke mogu dostići veličinu Zemlje ili veće, pokreću jaka magnetna polja Sunca koja se stalno menjaju.

Danas naučnici prate solarnu aktivnost koristeći podatke iz zemaljskih i svemirskih opservatorija, magnetne karte solarne površine i posmatranja UV spektra spoljašnje atmosfere Sunca.

Ali sam pokušaj posmatranja Sunca bio je težak podvig pre nekoliko vekova.

Sunčeve pege su mogle da se primete golim okom kroz maglu, izmaglicu, dim od požara ili blizu izlaska ili zalaska Sunca kada zemljina atmosfera pomaže da se priguši sunčeva svetlost, objašnjava Mark Miš, istraživač u Centru za predviđanje vremenskih prilika i svemir Nacionalne uprave za okeane i atmosferu u Koloradu, koji nije bio uključen u novo istraživanje.

Kepler je koristio optičku spravu nazvanu kamera opskura (lat. camera obscura, mračna komora, tamna soba), i kroz malu rupu na poleđini instrumenta projektovao sliku Sunca na list papira i skiciro karakteristike koje je primetio. Kepler je pogrešno verovao da je uhvatio Merkur koji se kreće u orbiti oko Sunca u maju 1607, ali je 11 godina kasnije povukao svoj izveštaj i utvrdio da je primetio grupu sunčevih pega.

„Pošto ovaj zapis nije bio teleskopsko posmatranje, o njemu se raspravljalo samo u kontekstu istorije nauke i nije korišćen za kvantitativne analize solarnih ciklusa u 17. veku“, napominje Hajakava.

„Ali ovo je najstarija skica sunčeve pege u istoriji napravljena instrumentalnim posmatranjem i projekcijom. Shvatili smo da bi ovaj crtež sunčeve pege trebalo da bude u stanju da nam kaže lokaciju sunčeve pege i ukaže na fazu solarnog ciklusa 1607. godine kada smo uspeli da suzimo tačku posmatranja i vreme i rekonstruišemo nagib heliografskih koordinata – što znači pozicije karakteristika na površini Sunca – u tom trenutku.”

Veliki solarni minimum

Sunčeve pege nisu jedini način na koji naučnici mogu da razumeju promene na Suncu. Varijacije unutar sunčevog magnetnog polja regulišu kretanje visokoenergetskih čestica, nazvanih kosmički zraci, kroz svemir, navodi Miš.

Kada kosmički zraci udare u zemljinu atmosferu, oni mogu da promene njen hemijski sastav, uključujući ravnotežu ugljenika.

„Vremenom se ovaj ugljenik ugrađuje u biljke i životinje, čak i u nas same“, dodaje Miš. „Godovi drveća pružaju jedinstvenu priliku da se prati promena ugljenika iz godine u godinu. Neki prstenovi na drevnom drveću mogu se pratiti hiljadama godina unazad. Izotopi ugljenika i drugi elementi mogu se na sličan način pratiti kroz vazdušne mehuriće zarobljene u jezgru leda glacijala.“

Izotopi ugljenika zarobljeni u godovima i ledenim jezgrama korišćeni su za kontekstualizaciju drevnih posmatranja sunčevih pega i proširenje našeg razumevanja solarne aktivnosti pre nego što su obavljena posmatranja sunčevih pega, navodi Miš.

Takvi podaci su korišćeni da pomognu astronomima da razumeju Maunderov minimum, period izuzetno slabih i abnormalnih solarnih ciklusa između 1645. i 1715. Tokom ovog takozvanog velikog solarnog minimuma, sunčeve pege su praktično nestale, a malo onih koje su uočene pojavile su se tek na južnoj solarnoj hemisferi.

Astronomi i danas raspravljaju o pozadinskom mehanizmu velikog solarnog minimuma, posebno dok pokušavaju da utvrde kada i da li bi se to moglo dogoditi u budućim vekovima.

Ali astronomi se slažu da se obrazac solarne aktivnosti postepeno pomerao od redovnih ciklusa do velikog minimuma.

Prethodna analiza godova na drveću je ukazivala da je kratak solarni ciklus, Solarni ciklus minus 14, trajao samo oko pet godina i doveo do izuzetno dugog solarnog ciklusa od 16 godina, poznatog kao Solarni ciklus minus 13.

„Ako je tačno, ovo bi zaista bilo zanimljivo“, napominje Hajakava. „Međutim, druga rekonstrukcija zasnovana na godovima drveća pokazala je niz solarnih ciklusa sa normalnim trajanjem (11 godina). Kojoj onda rekonstrukciji da verujemo? Izuzetno je važno proveriti ove rekonstrukcije nezavisnim – po mogućstvu opservacionim – zapisima.“

I zato su se okrenuli Keplerovim skicama.

Hajakava i njegove kolege su preveli Keplerov originalni rukopis, napisan na latinskom, kako bi razumeli tačnu orijentaciju njegovih skica sunčevih pega, kao i suzili vremenski okvir i lokacije tokom kojih je Kepler vršio zapažanja.

Hajakava je zatim posetio lokacije u Pragu, uključujući Keplerovu rezidenciju u Francuskoj kruni i radionicu dvorskog mehaničara Justusa Burgija, da bi bolje razumeo topografiju odakle je Kepler video sunčeve pege.

Savremeni alati za obradu podataka omogućili su istraživačima da izračunaju nagib sunčeve pege i odrede njenu lokaciju na Suncu. Takođe su primenili Špererov zakon, koji je prvi primetio engleski astronom amater Ričard Kristofer Karington, ali ga je dalje razvio nemački astronom Gustav Šperer, koji je opisao migraciju sunčevih pega sa viših na niže geografske širine tokom solarnog ciklusa.

Istraživački tim je utvrdio da grupa sunčevih pega koju je posmatrao Kepler pripada kraju Sunčevog ciklusa minus 14, a ne početku Sunčevog ciklusa minus 13.

Nalazi podržavaju pretpostavku da je Solarni ciklus minus 13 imao redovno trajanje od 11 godina, a ne 16. Istraživači su takođe mogli da procene da je Solarni ciklus minus 13 verovatno počeo između 1607. i 1610. godine.

„Ovo pokazuje tipičan prelaz iz prethodnog solarnog ciklusa u sledeći ciklus, u skladu sa Špererovim zakonom“, navodi koautor studije Tomas Tig, naučnik u Centru za analizu podataka o solarnim uticajima u Kraljevskoj opservatoriji u Belgiji.

S obzirom da je najduži solarni ciklus ikada zabeležen u poslednja tri veka trajao 14 godina, vreme je da se pronađe još jedan naučni prethodnik Maunderovog minimuma, rekao je Hajakava.

Keplerovo trajno nasleđe

Ima još mnogo toga da se nauči od istorijskih ličnosti poput Keplera, rekla je koautorka studije Sabrina Beče, istraživač u Kraljevskoj opservatoriji Belgije.

Keplerove skice pomažu u tekućoj debati o solarnim ciklusima koji su doveli do Maunderovog minimuma, što bi takođe moglo pomoći astronomima da modeliraju uslove pre događaja, smatra Hajakava.

 „Smeštajući Keplerove nalaze u šire rekonstrukcije solarne aktivnosti, naučnici dobijaju ključni kontekst za tumačenje promena u ponašanju Sunca u ovom ključnom periodu koji označava prelazak sa redovnih solarnih ciklusa na veliki solarni minimum.“