Ett team av solfysiker ledda av Laurent Gizon från Max Planck Institute for Solar System Research (MPS) och universitetet i Göttingen i Tyskland har rapporterat upptäckten av globala svängningar av solen med mycket långa perioder, jämförbar med solrotationsperioden på 27 dagar. Svängningarna visar sig på solytan som virvlande rörelser med hastigheter i storleksordningen 5 kilometer i timmen. Dessa rörelser mättes genom att analysera 10 års observationer från NASA:s Solar Dynamics Observatory (SDO). Använda datormodeller, forskarna har visat att de nyupptäckta svängningarna är resonanslägen och beror på solens differentiella rotation. Oscillationerna kommer att hjälpa till att etablera nya sätt att undersöka solens inre och få information om vår stjärnas inre struktur och dynamik. Forskarna beskriver sina fynd i ett brev som kommer att visas idag i tidskriften Astronomi &Astrofysik .

På 1960-talet upptäcktes solens höga musikaliska toner:Solen ringer som en klocka. Miljontals sätt av akustiska svängningar med korta perioder, nära 5 minuter, exciteras av konvektiv turbulens nära solytan och fångas i solens inre. Dessa 5-minuterssvängningar har observerats kontinuerligt av markbaserade teleskop och rymdobservatorier sedan mitten av 1990-talet och har använts mycket framgångsrikt av helioseismologer för att lära sig om vår stjärnas inre struktur och dynamik – precis som seismologer lär sig om det inre av stjärnan. Jorden genom att studera jordbävningar. En av helioseismologins triumfer är att ha kartlagt solens rotation som en funktion av djup och latitud (solens differentialrotation).

Förutom 5-minuterssvängningarna, mycket längre periodoscillationer förutspåddes existera i stjärnor för mer än 40 år sedan, men hade inte identifierats på solen förrän nu. "De långa svängningarna beror på solens rotation; de är inte akustiska till sin natur, säger Laurent Gizon, huvudförfattare till den nya studien och chef vid MPS. "Att upptäcka solens långa svängningar kräver mätningar av de horisontella rörelserna vid solens yta under många år. De kontinuerliga observationerna från Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) ombord SDO är perfekta för detta ändamål."

Teamet observerade många tiotals oscillationssätt, var och en med sin egen svängningsperiod och rumsliga beroende. Vissa oscillationssätt har maximal hastighet vid polerna, några på medelbreddgrader, och några nära ekvatorn. Moden med maximal hastighet nära ekvatorn är Rossby-lägen, som teamet redan hade identifierat 2018. "De långa svängningarna visar sig som mycket långsamma virvlande rörelser vid solens yta med hastigheter på cirka 5 kilometer i timmen - ungefär hur snabbt en person går, " säger Zhi-Chao Liang från MPS. Kiran Jain från NSO, tillsammans med B. Lekshmi och Bastian Proxauf från MPS, bekräftade resultaten med data från Global Oscillation Network Group (GONG), ett nätverk av sex solobservatorier i USA, Australien, Indien, Spanien, och Chile.

För att identifiera arten av dessa svängningar, teamet jämförde observationsdata med datormodeller. "Modellerna tillåter oss att titta in i solens inre och bestämma den fullständiga tredimensionella strukturen av svängningarna, " förklarar MPS doktorand Yuto Bekki. För att få fram modellsvängningarna, teamet började med en modell av solens struktur och differentiell rotation härledd från helioseismologi. Dessutom, styrkan hos den konvektiva drivningen i de övre lagren, och amplituden av turbulenta rörelser redovisas i modellen. Modellens fria svängningar hittas genom att beakta störningar med liten amplitud till solmodellen. Motsvarande hastigheter på ytan är en bra matchning med de observerade svängningarna och gjorde det möjligt för teamet att identifiera lägena.

"Alla dessa nya svängningar vi observerar på solen påverkas starkt av solens differentiella rotation, " säger MPS-forskaren Damien Fournier. Solrotationens beroende av latitud avgör var lägena har maximala amplituder. "Oscillationerna är också känsliga för egenskaperna hos solens inre:i synnerhet för styrkan hos de turbulenta rörelserna och den relaterade viskositeten hos solmediet, såväl som styrkan i konvektiv körning, " säger Robert Cameron från MPS. Denna känslighet är stark vid basen av konvektionszonen, cirka tvåhundratusen kilometer under solytan. "Precis som vi använder akustiska svängningar för att lära oss om ljudhastigheten i solens inre med helioseismologi, vi kan använda långperiodiska svängningar för att lära oss om de turbulenta processerna, " han lägger till.

"Upptäckten av en ny typ av soloscillationer är mycket spännande eftersom den gör det möjligt för oss att sluta sig till egenskaper, såsom styrkan i konvektiv körning, som i slutändan styr soldynamon, " säger Laurent Gizon. Den diagnostiska potentialen för långtidslägena kommer att realiseras fullt ut under de kommande åren med hjälp av en ny exascale datormodell som utvecklas som en del av projektet WHOLESUN, stöds av ett European Research Council 2018 Synergy Grant.