O.S.E.L. - Nejen Slunce cyklicky mění svou aktivitu

Evropská sonda CoRoT létá okolo Země na polární orbitě pod "vlajkou" francouzské kosmické agentury CNES. Její pracovní náplní jsou fotometrická měření jasných hvězd, která mohou odhalit jejich některé fyzikální charakteristiky, například rychlost rotace a frekvence akustických oscilací. Analýza světelných křivek umožňuje vyhledávat i tranzitující (v popředí hvězdy procházející) exoplanety. Kredit: Institute of Astrophysics of the Canaries, IAC

Cykly magnetické aktivity nejsou typické jenom pro Slunce. Teorie je předpokládá a astronomická pozorování je postupně také odhalují i u jiných hvězd. Studium souvislostí mezi magnetickým polem, jeho periodickými změnami a vlastnostmi hvězdy umožňuje lépe pochopit „jak to funguje“.

Aktivita Slunce se v posledních letech stala jedním z nejsledovanějších fyzikálních fenoménů. Přispěly k tomu vášnivé diskuze okolo klimatických změn a jejich příčin, u kterých jedni nepřiznávají slunečním variacím téměř žádný vliv na klima, jiní je považují za ten nejdůležitější. A někteří soudí, že asi v polovině minulého století člověk vytrhl Slunci dirigentskou taktovku regulující klimatické procesy a svou neodpovědnou aktivitou teď zcela zvrátí cykly dob ledových a z ráje na Zemi udělá žhnoucí peklo.

Ať je to tak, nebo tak, na jednu prognózu se můžeme spolehnout i když není výsledkem žádného veledůležitě zbytečného mezinárodního panelu – sluneční aktivita se bude periodicky měnit i nadále a to minimálně další čtyři miliardy let. Se samotnou délkou a intenzitou cyklu je to ale jako s pozemským klimatem - i když jsou základní hnací faktory známé, na hodnověrné a spolehlivé předpovědi jsme, a pravděpodobně ještě dlouho budeme, krátcí.

Slunce je standardní hvězdou a tak je zcela logické, že jevy, které na něm pozorujeme nejsou neobvyklé a vyjímečné. Potvrzuje to i práce francouzsko-americko-španělského týmu, který v souhvězdí Jednorožce (východně od Orionu) zkoumal hvězdu HD49933 vzdálenou téměř 100 světelných let. Je o polovinu mladší než Slunce (2,4 miliardy let), ale v porovnání s ním o 20 % hmotnější, o 34 % větší a vyzařuje téměř 3,5 krát více energie. Rotuje mnohem rychleji, otočku zvládá za 3,4 pozemského dne.

Podle výsledků studie, zveřejněné v časopisu Science, dynamičtější jsou i cykly magnetické aktivity této vzdálené hvězdy. Sluneční maxima, která se projevují zvýšeným výskytem slunečních skvrn, protuberancí nebo erupcí i přepólováním hlavního dipólového pole, se střídají každých asi 11 let. Na hvězdě HD49933 každých asi 120 pozemských dnů. Alespoň podle předpokladů, protože měření zatím neumožňují odpovědně posoudit celý cyklus. Doposud se podařilo zaznamenat jenom jeden kompletní nárůst z minima do maxima aktivity, což trvalo asi 60 dnů a další neúplné úseky cyklu. Následující výzkum bude zaměřen na ověření přibližné symetrie změn, tedy ověření, že i pokles magnetické aktivity má podobný časový průběh jako nárůst a že mezi změnami polarity hlavního pole jasné hvězdy v Jednorožci uplynou přibližně 4 pozemské měsíce. Je to 33 krát kratší doba, než u Slunce.

Po kliknutí zde nebo na obrázek uslyšíte akustické oscilace hvězdy HD49933 posunuté o 18 oktáv do oblasti slyšitelného zvuku.

Znázornění oscilací zasahujících celou hvězdu a poskytujících cenné informace. Žlutá barva odpovídá maximům v teplotních variacích, které oscilace způsobují. Kredit: S. Frandsen/ Aarhus University

Je to zajímavý výsledek, i když není první svého druhu . Studiem cyklů magnetické aktivity různých hvězd astronomové získávají soubor údajů o různé periodicitě tohoto jevu v závislosti od odlišných charakteristik příslušné hvězdy. To nepochybně přispěje k lepšímu pochopení mechanizmů, které hlavní magnetické pole udržují i periodicky mění.

Jak se ale zkoumá magnetická aktivita vzdálené hvězdy na jejichž skvrny nedohlédneme ani nejvýkonnějšími dalekohledy?

Francouzští astronomové využili poznatky z mladého oboru – asteroseizmologie. Její specializace na Slunce se nazývá helioseizmologie. Je to výzkum takzvaných akustických vln. Nejde o žádnou hudbu sfér, ani nebeské chorály. Jsou to materiálové neboli seizmické vlny, které jsou projevy pulzací hvězdy v různých módech, jenž jsou určené rychlostí zvuku v daném prostředí. Energetickým zdrojem těchto pulzací je část záření, které se přeměňuje v kinetickou energii plazmatu. Analýza těchto hvězdných seizmických vln nabízí – podobně jako zemětřesení na Zemi – jedinečnou možnost alespoň nepřímo studovat vnitřní strukturu vesmírného tělesa. Dlouhodobým pozorováním některých módů oscilací plazmatu na povrchu Slunce se zjistilo, že reagují na změny magnetického pole a jejich charakteristiky se pravidelně mění v závislosti s cyklem magnetické aktivity. V maximální fázi se frekvence oscilací zvyšují, ale amplitudy klesají a opačný posuv je typický pro minimum.

Evropská sonda CoRoT právě v rámci svého asteroseizmologického programu snímala několik jasných hvězd z oblasti hlavní posloupnosti a HD49933 byla jednou z nich. Astronomové získali dohromady 187 dnů měření, pořízených sondou v průběhu 400 dnů, mohli tedy zrekonstruovat ne zcela souvislou světelnou křivku charakterizující časové změny svítivosti hvězdy. Analyzovali její titěrné variace a hledali v nich otisky hvězdných oscilací s různými frekvencemi. Přesněji řečeno – z výkonného spektra světelné křivky dolovali základní parametry akustických módů pulzací. Spolehli se přitom na předpoklad, že to, co platí pro Slunce, bude platit i pro jemu podobnou hvězdu.

Dosavadní výsledky potvrzují (celkem logický) předpoklad, že u hmotnějších a zářivějších, ale zejména mnohem rychleji rotujících hvězd než je naše Slunce, je i magnetická aktivita dynamičtější, má kratší periodu a frekvence oscilací plazmatu se v jejím průběhu mění výrazněji. Základní mechanismus je však v principu stejný.

1/ Pro úplnost je ale nutné dodat, že HD49933 zdaleka není první hvězdou, u které byl cyklus magnetické aktivity studován a potvrzen. Jenom z pozorování sondy CoRoT jsou známé 3.

2/ Uvedená fotometrická metoda založená na studiu změn svítivosti (ale mohou se použít jenom změny rentgenové složky záření) odhaluje informace o dynamice aktivity vzdálené hvězdy. Ale pro výzkum intenzity a polarizace magnetického pole se používá analýza spektrálních čar a metoda založená na Zeemanovém efektu – na změnách spektrálních čar způsobených magnetickým polem. Zeemanovo-Dopplerovo zobrazování tvoří základ spektrální polarimetrie, která umožňuje měřit hodnotu Zeemanova efektu i u poměrně vzdálených hvězd.

3/ HD49933 patřila po několik měsíců k hlavním cílům programu evropské kosmické sondy CoRoT (Convection Rotation and planetary Transits), která od poloviny ledna 2007 z polární okolozemské oběžné dráhy pozoruje vybrané hvězdy. K tomu ji slouží 27 centimetrový teleskop a původně čtveřice CCD čipů s rozměry 2048 x 4096 pixelů pro podrobný záznam zorného pole. Cílem mezinárodního týmu astronomů podílejících se na projektu CoRoT, zastřešeném francouzskou kosmickou agenturou CNES, je pak v získaných fotometrických údajích identifikovat transitní (v popředí mateřské hvězdy procházející) exoplanety a zkoumat charakter a časový průběh oscilací plazmatu na povrchu sledované hvězdy (astroseizmologie). Sonda měla podle plánů sloužit 2,5 roku, nyní již přesluhuje více než rok a i když po poruše jednoho ze dvou procesorů pracuje na polovinu původních technických možností (se dvěma CCD čipy), měla by své poslání, jako statečný cínový vojáček, plnit ještě asi 3 roky.

Základem je existence hlavního „celoslunečního“ dipólového pole, které je nejintenzivnější v době minima sluneční aktivity a nejslabší v době maxima, kdy ho oslabí cyklický, s diferenciální rotací spojený mechanismus, který se na povrchu projevuje jako postupný nárůst a pak pokles počtu magneticky bipolárních slunečních skvrn, protuberancí, erupcí, výronů koronární hmoty. Skvrny se v průběhu cyklu postupně posouvají od vyšších „heliopisných“ šířek k rovníku. Běžně se stává, že v minimu aktivity se u rovníku ještě objevují skvrny „starého“ cyklu a okolo 30 – 40 sluneční rovnoběžky i opačně polarizované skvrny cyklu nového. Svědčí o tom, že několik let předtím, v období maxima, došlo k přepólování oslabené dipólové složky celohvězdného magnetického pole a severní magnetický pól je tam, kde byl předtím jižní.

Že se vůbec ve Slunci (hvězdách) udržuje magnetické pole a dochází k jeho periodickým změnám, je důsledek vodivosti ionizovaného plazmatu. Jeho proudění je vlastně pohyb nábojů v magnetickém poli, což generuje pole další. Proudění plazmatu je složité, ale v zásadě kromě vzestupně-sestupní konvekce ve vnější asi 200 000 kilometrové vrstvě, ho ovlivňuje zejména rotace. A ta u velkých plynných nebeských těles není jednotná jako u pevné Země, nýbrž diferenciální – což znamená, že na rovníku trvá jedna otočka kratší čas, než u pólů. U Slunce tento rozdíl představuje více než devět pozemských dnů. To se ale týká jenom této vrchní, asi 200 tisíc kilometrů mocné konvektivní zóny, kde, jak to vyplývá již z názvu, probíhá tepelné konvektivní proudění. Pod touto vrstvou se nachází radiační zóna, která již pravděpodobně rotuje jednotně. Dramatické změny na rozhraní obou vrstev a jimi ovlivněný pohyb plazmatu by měly být tím vnitřním samobudícím dynamem, které udržuje hlavní celohvězdné pole neustále „při životě“. Konvektivní proudění a zejména diferenciální rotace jsou i hlavními motory pohánějící cyklické změny magnetické aktivity. Vlivem rozdílů v rotaci okolo rovníků a pólů magnetické siločáry (jež u pevného, jednotně rotujícího tělesa - např. Země - probíhají ve směru magnetických poledníků) se ve vnější konvektivní zóně Slunce postupně doslova navíjejí. Zároveň je deformují vzestupně-sestupné proudy plazmatu. Toto zašmodrchání rozmělňuje hlavní severojižní pole na složitou strukturu měnících se dipólů. Vydouvající se siločáry někdy vystoupí nad viditelný povrch Slunce - fotosféru (video 3), což se na povrchu projeví slunečními protuberancemi (video 1) nebo bipolárními skvrnami a s nimi svázanými slunečními erupcemi (video 2). K těm posledním dochází, když se siločáry navzájem propojí (rekonekce) a uvolní se obrovské množství magnetické energie. Vyvržené masy vodivého plazmatu ji unášejí do meziplanetárního prostoru a když tento gigantický projektil zasáhne Zemi, deformuje její magnetosféru. Pozemní magnetometry naměří několikahodinovou až desítky hodin trvající výraznější změnu hodnot planetárního magnetického pole – geomagnetickou bouři. I když název zní hrozivě, jde o řádově stovky nanoTeslů velké změny. Kromě některých vědců, pozorovatelů polárních září a radioamatérů je v běžném životě nezaregistrujeme a hrozby výpadků elektrických sítí následkem indukovaného napětí jsou vskutku přehnané. Rizikové jsou jenom stovky kilometrů dlouhé, zejména v poledníkovém směru vedoucí elektrická vedení, které nejsou opatřeny příslušným ochranným systémem. Ohrožení zdraví lidí na ISS a přístrojového vybavení družic na oběžné dráze je samozřejmě reálnější, protože je dostatečně nechrání magnetický štít planety.

Video 1: Sluneční protuberance – kosmické sondy „vidí“ impozantní smyčky plazmatu proudícího podél „vyboulených“ siločár.

Video 2: I Sluneční skvrny vznikají v místech, kde se lokální magnetické pole zdeformuje a siločáry vystoupí z fotosféry do chromosféry. Když se smyčka propojí, osvobozená část magnetického pole vmražená do oblaku plazmatu se katapultuje do meziplanetárního prostoru.

Video 3: Animace magnetického pole, které se vzestupnými proudy plazmatu deformuje, vzniká lokální anomálie, jež se na viditelném povrchu (fotosféře) projeví jako dipólová skvrna. Případné propojení siločár umožní podél nich proudícímu plazmatu uniknout z gravitační pasti.