Ilmiö Auringossa: Aurinko värähtelee

KAK – Maanjäristykset ovat meille tuttu ilmiö. Vaikka ne voivat olla tuhoisia, niiden synnyttämät seismiset aallot kulkevat planeettamme läpi ja kertovat meille sen sisäisestä rakenteesta – kuoresta, vaipasta ja ytimestä. Mutta tiesitkö, että myös oma Aurinkomme värähtelee ja "soi" jatkuvasti? Aivan kuten seismologit tutkivat Maan järistyksiä, helioseismologit tutkivat Auringon värähtelyjä paljastaakseen sen pinnan alla piilevät salaisuudet. Tervetuloa tutustumaan helioseismologiaan!

Mitä helioseismologia on?

Helioseismologia on aurinkofysiikan haara, joka tutkii Auringon sisäosia analysoimalla sen pinnalla havaittavia aaltoja ja värähtelyjä. Aurinko ei ole hiljainen kappale, vaan se värähtelee miljoonien erilaisten ääniaaltojen taajuuksilla samanaikaisesti, hieman kuin valtava kello tai soitin. Nämä aallot kulkevat Auringon sisäosien läpi, ja niiden käyttäytyminen – miten ne heijastuvat, taittuvat ja vaimenevat eri kerroksissa – kertoo meille Auringon rakenteesta, koostumuksesta ja massavirroista siellä. Niiden havaitseminen suoraan on mahdotonta. 

Auringon rakenne ja kuinka ääniaallot kulkevat eri kerroksissa ja niiden välillä. Kuva NASA.

 

Suurin osa helioseismologian käyttämistä aalloista on akustisia aaltoja, joita kutsutaan myös p-moodeiksi (p tulee painetta tarkoittavasta sanasta pressure). Nämä ovat pohjimmiltaan ääniaaltoja, jotka ovat jääneet "loukkuun" Auringon sisälle. Niiden uskotaan syntyvän Auringon kuplivan ja myrskyisän pintakerroksen, konvektiovyöhykkeen, turbulenssista.

Nämä miljoonat samanaikaiset ääniaallot saavat Auringon pinnan nousemaan ja laskemaan hyvin hienovaraisesti. Tyypillisin värähtelyjakso on noin viisi minuuttia. Vaikka emme voi kuulla näitä ääniä avaruuden tyhjiön läpi, voimme nähdä niiden vaikutukset Auringon pinnalla.

On olemassa myös toisenlaisia, syvemmällä kulkevia ja vaikeammin havaittavia g-moodin aaltoja (g tulee sanasta gravitation), jotka voisivat kertoa meille suoraan Auringon ytimestä. Niiden varma havaitseminen on ollut haastavaa, ja tutkimus on vasta alkuvaiheessaan.

Koska emme voi laittaa seismometriä Auringon pinnalle, helioseismologien täytyy käyttää kaukohavaintomenetelmiä:

Doppler-siirtymän mittaus: Tämä on tarkin ja yleisin tapa. Kun Auringon pinta värähtelee p-moodien tahtiin, se liikkuu paikallisesti hieman meitä kohti (aiheuttaen sinisiirtymän sen valon spektrissä) ja sitten meistä poispäin (aiheuttaen punasiirtymän). Mittaamalla äärimmäisen tarkasti näitä pieniä Doppler-siirtymiä Auringon spektriviivoissa koko sen kiekon alueella, tutkijat voivat kartoittaa nämä miljoonat värähtelyt. Pinnan kohoaminen tai laskeutuminen tapahtuu vain metrejä tai jopa senttejä sekunnissa!

Kirkkaudenvaihtelut: Värähtelyt aiheuttavat myös pieniä muutoksia Auringon pinnan kirkkaudessa, joita voidaan mitata herkillä instrumenteilla.

Havaintoja tehdään sekä Maasta että avaruudesta. Maanpinnalla erityiset teleskooppiverkostot, kuten GONG (Global Oscillation Network Group), jotka koostuvat useista identtisistä instrumenteista eri puolilla maapalloa, mahdollistavat Auringon jatkuvan seurannan vuorokauden ympäri.

Avaruudessa ilmakehän häiriöiden puuttuminen on mullistanut helioseismologian. Erityisesti SOHO-luotaimen (instrumentit MDI ja VIRGO) ja SDO-luotaimen (instrumentti HMI) jatkuvat ja korkealaatuiset mittaukset ovat olleet korvaamattomia.

Tutkimustuloksia

Helioseismologia on antanut meille hämmästyttävän tarkan kuvan Auringon sisäosista. Se on vahvistanut teoreettiset mallit Auringon tiheyden, lämpötilan ja koostumuksen syvyysprofiileista. Esimerkiksi konvektiovyöhykkeen tarkan syvyyden (noin ulommat 30 % säteestä) määrittäminen on helioseismologian ansiota.

Olemme myös oppineet, miten Aurinko pyörii sisäosissaan. Tavanomaiset havainnot eivät tällaisen tiedon tuottamista mahdollista, mutta helioseismisin keinoin tiedämme nyt, että pinnalla havaittava differentiaalinen pyöriminen (päiväntasaaja pyörii nopeammin kuin navat) jatkuu koko konvektiovyöhykkeen läpi. Sen alla oleva säteilyvyöhyke ja ydin pyörivät suunnilleen kuin jäykkä kappale.

Helioseismologia on paljastanut näiden kahden pyörimisalueen välissä olevan suhteellisen ohuen siirtymäkerroksen, takokliinin. Tämän voimakkaiden leikkausvirtausten alueen uskotaan olevan avainasemassa Auringon magneettikentän ja 11-vuotisen auringonpilkkujakson synnyssä (Auringon dynamo).

Helioseismisin menetelmin on myös kartoitettu suuren mittakaavan virtauksia konvektiovyöhykkeessä, kuten hitaan virtauksen ekvaatorilta navoille pinnalla ja takaisin syvemmällä (meridionaalikierto), sekä jättimäisiä konvektiosoluja.

Yksi helioseismologian kiehtovimmista sovelluksista on kyky "nähdä" Auringon etäpuolelle. Miten tämä on mahdollista?

 

Helioseisminen hologrammi, jossa on etupuolen aktiivisten alueiden lisäksi myös etäpuolen suurimmat ja aktiivisimmat alueet. Reuna-aleella on molemmin puolin vyöhyke, josta tietoa ei saada. Mitä tummempi alue on, sitä aktiivisempi se on. Kuva SpaceweatherLive.com -sivustolta.

 

Ajatus perustuu helioseismiseen holografiaan tai vastaaviin tekniikoihin. Auringon pinnan alla syntyvät ääniaallot (p-moodit) eivät ainoastaan heijastu pinnasta, vaan ne myös kulkevat Auringon sisäosien läpi. Osa aalloista voi kulkea lähes koko Auringon halki ja nousta pintaan vastakkaisella puolella.

Suuret, magneettisesti aktiiviset alueet (eli isot pilkkuryhmät) Auringon pinnalla ja sen alla eroavat ympäristöstään niin lämpötilan, tiheyden kuin magneettikentänkin osalta. Nämä erot vaikuttavat ääniaaltojen kulkunopeuteen ja vaiheeseen niiden kulkiessa alueen läpi tai ohi.

Analysoimalla tarkasti Maahan näkyvällä puolella havaittuja aaltoja – erityisesti niiden saapumisaikoja ja interferenssikuvioita – tutkijat voivat matemaattisesti päätellä, ovatko jotkin aallot kohdanneet matkallaan häiriön Auringon etäpuolella. He voivat ikään kuin "kuunnella kaikuja" Auringon sisältä ja paikantaa näin suuret aktiiviset alueet etäpuolelta.

Miksi etäpuolen auringonpilkut ovat tärkeitä? Suuret aktiiviset alueet ovat voimakkaiden auringonpurkausten ja erityisesti suurten koronamassapurkausten (CME) pääasiallinen lähde. Juuri CME:t aiheuttavat Maan magneettikentässä myrskyjä, jotka näkyvät upeina revontulina, mutta voivat myös häiritä satelliitteja ja sähköverkkoja. Helioseisminen kaukokartoitus antaa meille ennakkovaroituksen suurista, potentiaalisesti vaarallisista aktiivisista alueista noin viikkoa ennen kuin ne Auringon pyörimisen myötä kääntyvät kohti Maata. Tämä parantaa merkittävästi avaruussääennusteiden tarkkuutta ja antaa aikaa varautua mahdolliseen magneettiseen myrskyyn. Etäpuolen kuvan resoluutio ei ole täydellinen, mutta suurimmat uhkatekijät voidaan usein tunnistaa.

 Video: NASA.

 

Muut tähdet

Helioseismologian menestys on johtanut sen laajentamiseen muiden tähtien tutkimukseen – tätä kutsutaan astroseismologiaksi (tai asteroseismologiasksi). Vaikka muiden tähtien värähtelyjen havaitseminen on paljon vaikeampaa niiden etäisyyden ja himmeyden vuoksi, ala on kehittynyt valtavasti erityisesti avaruusteleskooppien ansiosta.

Pääasiallinen tapa havaita seismisiä aaltoja muista tähdistä on ultra-tarkka valonmittaus (fotometria). Avaruusteleskoopit kuten Kepler ja TESS ovat kyenneet mittaamaan tähtien kirkkaudessa tapahtuvia äärimmäisen pieniä, jaksollisia muutoksia, jotka johtuvat niiden pinnan värähtelyistä (p-moodit ja joissain tapauksissa g-moodit). Maasta tehtävät nopeusmittaukset (Doppler-siirtymät) ovat myös mahdollisia, mutta havainnot ovat paljon haastavampia ilmakehän häiriöiden vuoksi.

Astroseismologiaa sovelletaan monenlaisiin tähtiin:

o    Auringon kaltaiset tähdet (G, F, K-tyypit): Näillä havaitaan Auringon kaltaisia, konvektion synnyttämiä värähtelyjä.

o    Punaiset jättiläiset: Nämä tähdet värähtelevät suurilla amplitudeilla ja pitkillä jaksonajoilla, tehden niistä suhteellisen helppoja kohteita. Astroseismologia on mullistanut niiden tutkimuksen, auttaen mm. erottamaan vedyn kuoressa ja heliumin ytimessä polttavat jättiläiset toisistaan.

o    Muut tähdet: Myös massiiviset siniset tähdet, valkoiset kääpiöt ja monet muut tähtityypit värähtelevät omilla tavoillaan, ja niiden tutkimus antaa tietoa niiden rakenteesta.

Astroseismologian avulla voimme määrittää tähtien perusominaisuuksia (massa, säde, tiheys, ikä) ennennäkemättömällä tarkkuudella, usein paljon tarkemmin kuin perinteisillä menetelmillä. Se paljastaa tietoa tähtien sisäisestä rakenteesta, kerrospaksuuksista ja sisäisestä pyörimisestä. Nämä havainnot ovat elintärkeitä tähtien kehitysmallien testaamisessa ja parantamisessa. Lisäksi tarkat tiedot tähdistä ovat välttämättömiä niiden ympäriltä löydettyjen eksoplaneettojen ominaisuuksien (kuten koon ja tiheyden) tarkassa määrittämisessä.

Helioseismologia ja astroseismologia eivät ole vain kuriositeetteja. Ne ovat perustavanlaatuisia työkaluja, jotka auttavat meitä ymmärtämään miten Auringon ja muiden tähtien magneettikentät syntyvät ja kehittyvät (dynamoteoria). Lisäksi havaintojen myötä voimme selvittää Auringon ja muiden tähtien toiminnan jaksollisuuksia, sitä miten energia kulkee tähtien ytimestä avaruuteen ja tähtien kehityskaaria yleensä.

Helioseismologian ja sen laajennuksen, astroseismologian, avulla Aurinko ja muut tähdet ovat muuttuneet meille pelkistä kirkkaista pinnoista läpinäkyviksi laboratorioiksi. "Kuuntelemalla" ja analysoimalla niiden värähtelyjä olemme voineet kurkistaa syvälle niiden sisälle ja oppia asioita, joita pidettiin aiemmin mahdottomina selvittää. Se on upea esimerkki siitä, miten nerokkailla havaintomenetelmillä voimme paljastaa maailmankaikkeuden salaisuuksia, aina oman Aurinkomme kääntöpuolelta kaukaisiin tähtiin saakka.

 

Lisää luettavaa

NASA: Symphony of stars: The science of stellar sound waves.

NASA: Secrets of Sunspots and Solar Magnetic Fields Investigated in NASA Supercomputing Simulations.