En av de stora frågorna inom solfysiken är varför solens aktivitet följer en regelbunden cykel på 11 år. Forskare från Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), ett oberoende tyskt forskningsinstitut, presenterar nu nya rön, vilket indikerar att tidvattenkrafterna hos Venus, Jorden och Jupiter påverkar solens magnetfält, styr alltså solcykeln. Teamet av forskare presenterar sina resultat i tidskriften Solfysik .

I princip, det är inte ovanligt att den magnetiska aktiviteten hos en stjärna som solen genomgår cyklisk svängning. Och ändå har tidigare modeller inte på ett adekvat sätt kunnat förklara solens mycket regelbundna cykel. HZDR-forskargruppen har nu lyckats visa att de planetariska tidvattenkrafterna på solen fungerar som en yttre klocka, och är den avgörande faktorn bakom dess stadiga rytm. För att uppnå detta resultat, forskarna jämförde systematiskt historiska observationer av solaktivitet från de senaste tusen åren med planetariska konstellationer, statistiskt bevisar att de två fenomenen är kopplade. "Det finns en häpnadsväckande hög nivå av överensstämmelse:vad vi ser är fullständig parallellitet med planeterna under loppet av 90 cykler, sa Frank Stefani, huvudförfattare till studien. "Allt tyder på en klockad process."

Som med månens gravitationskraft som orsakar tidvatten på jorden, planeter kan förskjuta den heta plasman på solens yta. Tidvattenkrafterna är starkast när det finns maximal Venus-Jord-Jupiter-inriktning; en konstellation som uppstår vart 11,07:e år. Men effekten är för svag för att avsevärt störa flödet i solens inre, varför det tidsmässiga sammanträffandet länge försummades. Dock, HZDR-forskarna hittade sedan bevis på en potentiell indirekt mekanism som kan påverka solens magnetfält via tidvattenkrafter:svängningar i Taylers instabilitet, en fysisk effekt som, från en viss ström, kan ändra beteendet hos en ledande vätska eller hos ett plasma. Bygger på detta koncept, forskarna utvecklade sin första modell 2016; de har sedan dess utvecklat denna modell i sin nya studie för att presentera ett mer realistiskt scenario.

Liten trigger med stor påverkan:tidvatten utnyttjar instabilitet

I solens heta plasma, Taylers instabilitet stör flödet och magnetfältet, själv reagerar mycket känsligt på små krafter. En liten dragkraft av energi räcker för att störningarna ska pendla mellan högerhänt och vänsterhänt helicitet (projiceringen av spinnet i rörelseriktningen). Den rörelsemängd som krävs för detta kan induceras av planetariska tidvattenkrafter vart elfte år - vilket i slutändan också anger rytmen vid vilken magnetfältet vänder solens polaritet.

"När jag först läste om idéer som kopplar soldynamon till planeter, Jag var väldigt skeptisk, " Mindes Stefani. "Men när vi upptäckte den strömdrivna Tayler-instabiliteten som genomgick helicitetssvängningar i våra datorsimuleringar, Jag frågade mig själv:Vad skulle hända om plasman påverkades av en liten, tidvattenliknande störning? Resultatet var fenomenalt. Svängningen var verkligen upphetsad och blev synkroniserad med tidpunkten för den yttre störningen."

Solar dynamo med en extra touch

I standardscenariot för en dynamo, solens rotation och solplasmans komplexa rörelse skapar ett cykliskt föränderligt magnetfält. Två effekter samverkar här:plasman roterar snabbare vid solens ekvator än vid polerna. Detta leder till omega-effekten:magnetfältslinjerna som är frusna i plasman sträcker sig runt solen och omvandlar magnetfältet till ett fält som ligger nästan parallellt med solens ekvator. Alfaeffekten beskriver en mekanism som vrider magnetfältslinjer, tvingar tillbaka magnetfältet i nord-sydlig riktning.

Vad exakt orsakar alfaeffekten, dock, är föremål för tvist. Stefanis modell indikerar att Taylers instabilitet är delvis ansvarig för detta. Forskarna anser att det mest troliga scenariot är ett där en klassisk soldynamo kombineras med de moduleringar som exciteras av planeterna. "Då skulle solen vara en helt vanlig, äldre stjärna vars dynamocykel, dock, synkroniseras av tidvattnet, " sammanfattade Stefani. "Det fantastiska med vår nya modell är att vi nu enkelt kan förklara effekter som tidigare var svåra att modellera, som "falska" heliciteter, som observerats med solfläckar, eller den välkända dubbla toppen i solens aktivitetskurva."

Förutom att påverka 11-årscykeln, planetariska tidvattenkrafter kan också ha andra effekter på solen. Till exempel, det är också tänkbart att de ändrar skiktningen av plasman i övergångsområdet mellan den inre strålningszonen och solens yttre konvektionszon (takoklinen) på ett sådant sätt att det magnetiska flödet lättare kan ledas. Under dessa förhållanden, aktivitetscyklernas storlek kan också ändras, som en gång var fallet med Maunder Minimum, när det var en kraftig nedgång i solaktiviteten under en längre fas.

I längden, en mer exakt modell av soldynamon skulle hjälpa forskare att kvantifiera klimatrelevanta processer som rymdväder mer effektivt, och kanske till och med förbättra klimatförutsägelserna en dag. De nya modellberäkningarna innebär också att, förutom tidvattenkrafter, potentiellt annat, hittills försummade mekanismer skulle behöva integreras i soldynamo-teorin, mekanismer med svaga krafter som ändå – som forskare nu vet – kan få stor inverkan. För att kunna undersöka denna grundläggande fråga i laboratoriet, för, forskarna håller just nu på att starta ett nytt flytande metallexperiment vid HZDR.