Скице Јохана Кеплера успеле да реше соларну мистерију која је мучила савремене астрономе

Иако се све у Сунчевом систему окреће око Сунца, научници тек треба да открију многе тајне наше звезде.

Међутим, проучавање варијабилности Сунца током времена, укључујући соларне циклусе, могло би да одговори на нека од најдуговјечнијих питања о ватреној кугли и како се она мења.

Нека од тих питања се врте око соларне активности у 17. веку, што је било кључно време за проучавање Сунца.

Астрономи су први пут посматрали сунчеве пеге телескопима 1610. У исто време, Сунце је правило необичан прелаз у продужени период ослабљене активности. А Кеплерове дуго занемарене скице, јер су били цртежи, а не телескопска посматрања, могле би пружити кључне историјске увиде.

Нова студија која реконструише околности током којих је Кеплер правио своје цртеже појавила се 25. јула у The Astrophysical Journal Letters.

„Кеплер је допринео многим историјским открићима у астрономији и физици у 17. веку, остављајући своје наслеђе чак и у свемирском добу“, наводи главни аутор студије, Хисаши Хајакава, доцент на Институту за истраживање животне средине свемира и Земље Универзитета Нагоја.

„Овде смо показали да су Кеплерови записи о сунчевим пегама за неколико година претходили постојећим телескопским записима из 1610. Његове скице сунчевих пега служе као сведочанство његове научне оштроумности и упорности у суочавању са технолошким ограничењима.”

Бурна активност Сунца

Сунце пролази кроз једанаестогодишње циклусе раста и опадања активности, познате као соларни циклус. Тренутно, научници верују да Сунце достиже или се приближава соларном максимуму, годишњем врхунцу своје активности за тренутни соларни циклус, назван Соларни циклус 25.

Соларни максимум је обично повезан са повећањем броја сунчевих пега видљивих на површини звезде. Ове тамне области, од којих неке могу достићи величину Земље или веће, покрећу јака магнетна поља Сунца која се стално мењају.

Данас научници прате соларну активност користећи податке из земаљских и свемирских опсерваторија, магнетне карте соларне површине и посматрања УВ спектра спољашње атмосфере Сунца.

Али сам покушај посматрања Сунца био је тежак подвиг пре неколико векова.

Сунчеве пеге су могле да се примете голим оком кроз маглу, измаглицу, дим од пожара или близу изласка или заласка Сунца када земљина атмосфера помаже да се пригуши сунчева светлост, објашњава Марк Миш, истраживач у Центру за предвиђање временских прилика и свемир Националне управе за океане и атмосферу у Колораду, који није био укључен у ново истраживање.

Кеплер је користио оптичку справу названу камера опскура (лат. camera obscura, мрачна комора, тамна соба), и кроз малу рупу на полеђини инструмента пројектовао слику Сунца на лист папира и скициро карактеристике које је приметио. Кеплер је погрешно веровао да је ухватио Меркур који се креће у орбити око Сунца у мају 1607, али је 11 година касније повукао свој извештај и утврдио да је приметио групу сунчевих пега.

„Пошто овај запис није био телескопско посматрање, о њему се расправљало само у контексту историје науке и није коришћен за квантитативне анализе соларних циклуса у 17. веку“, напомиње Хајакава.

„Али ово је најстарија скица сунчеве пеге у историји направљена инструменталним посматрањем и пројекцијом. Схватили смо да би овај цртеж сунчеве пеге требало да буде у стању да нам каже локацију сунчеве пеге и укаже на фазу соларног циклуса 1607. године када смо успели да сузимо тачку посматрања и време и реконструишемо нагиб хелиографских координата – што значи позиције карактеристика на површини Сунца – у том тренутку.”

Велики соларни минимум

Сунчеве пеге нису једини начин на који научници могу да разумеју промене на Сунцу. Варијације унутар сунчевог магнетног поља регулишу кретање високоенергетских честица, названих космички зраци, кроз свемир, наводи Миш.

Када космички зраци ударе у земљину атмосферу, они могу да промене њен хемијски састав, укључујући равнотежу угљеника.

„Временом се овај угљеник уграђује у биљке и животиње, чак и у нас саме“, додаје Миш. „Годови дрвећа пружају јединствену прилику да се прати промена угљеника из године у годину. Неки прстенови на древном дрвећу могу се пратити хиљадама година уназад. Изотопи угљеника и други елементи могу се на сличан начин пратити кроз ваздушне мехуриће заробљене у језгру леда глацијала.“

Изотопи угљеника заробљени у годовима и леденим језграма коришћени су за контекстуализацију древних посматрања сунчевих пега и проширење нашег разумевања соларне активности пре него што су обављена посматрања сунчевих пега, наводи Миш.

Такви подаци су коришћени да помогну астрономима да разумеју Маундеров минимум, период изузетно слабих и абнормалних соларних циклуса између 1645. и 1715. Током овог такозваног великог соларног минимума, сунчеве пеге су практично нестале, а мало оних које су уочене појавиле су се тек на јужној соларној хемисфери.

Астрономи и данас расправљају о позадинском механизму великог соларног минимума, посебно док покушавају да утврде када и да ли би се то могло догодити у будућим вековима.

Али астрономи се слажу да се образац соларне активности постепено померао од редовних циклуса до великог минимума.

Претходна анализа годова на дрвећу је указивала да је кратак соларни циклус, Соларни циклус минус 14, трајао само око пет година и довео до изузетно дугог соларног циклуса од 16 година, познатог као Соларни циклус минус 13.

„Ако је тачно, ово би заиста било занимљиво“, напомиње Хајакава. „Међутим, друга реконструкција заснована на годовима дрвећа показала је низ соларних циклуса са нормалним трајањем (11 година). Којој онда реконструкцији да верујемо? Изузетно је важно проверити ове реконструкције независним – по могућству опсервационим – записима.“

И зато су се окренули Кеплеровим скицама.

Хајакава и његове колеге су превели Кеплеров оригинални рукопис, написан на латинском, како би разумели тачну оријентацију његових скица сунчевих пега, као и сузили временски оквир и локације током којих је Кеплер вршио запажања.

Хајакава је затим посетио локације у Прагу, укључујући Кеплерову резиденцију у Француској круни и радионицу дворског механичара Јустуса Бургија, да би боље разумео топографију одакле је Кеплер видео сунчеве пеге.

Савремени алати за обраду података омогућили су истраживачима да израчунају нагиб сунчеве пеге и одреде њену локацију на Сунцу. Такође су применили Шпереров закон, који је први приметио енглески астроном аматер Ричард Кристофер Карингтон, али га је даље развио немачки астроном Густав Шперер, који је описао миграцију сунчевих пега са виших на ниже географске ширине током соларног циклуса.

Истраживачки тим је утврдио да група сунчевих пега коју је посматрао Кеплер припада крају Сунчевог циклуса минус 14, а не почетку Сунчевог циклуса минус 13.

Налази подржавају претпоставку да је Соларни циклус минус 13 имао редовно трајање од 11 година, а не 16. Истраживачи су такође могли да процене да је Соларни циклус минус 13 вероватно почео између 1607. и 1610. године.

„Ово показује типичан прелаз из претходног соларног циклуса у следећи циклус, у складу са Шпереровим законом“, наводи коаутор студије Томас Тиг, научник у Центру за анализу података о соларним утицајима у Краљевској опсерваторији у Белгији.

С обзиром да је најдужи соларни циклус икада забележен у последња три века трајао 14 година, време је да се пронађе још један научни претходник Маундеровог минимума, рекао је Хајакава.

Кеплерово трајно наслеђе

Има још много тога да се научи од историјских личности попут Кеплера, рекла је коауторка студије Сабрина Бече, истраживач у Краљевској опсерваторији Белгије.

Кеплерове скице помажу у текућој дебати о соларним циклусима који су довели до Маундеровог минимума, што би такође могло помоћи астрономима да моделирају услове пре догађаја, сматра Хајакава.

 „Смештајући Кеплерове налазе у шире реконструкције соларне активности, научници добијају кључни контекст за тумачење промена у понашању Сунца у овом кључном периоду који означава прелазак са редовних соларних циклуса на велики соларни минимум.“