Wielowiekowe rysunki astronoma Johannesa Keplera rozwiązują zagadkę Układu Słonecznego

Zapisz się na newsletter CNN „Teoria cudów”. Odkrywaj wszechświat dzięki wiadomościom o fascynujących odkryciach, postępach naukowych i nie tylko.

CNN
—

Niemiecki astronom Johannes Kepler sporządził diagramy plam słonecznych w 1607 roku na podstawie swoich obserwacji powierzchni Słońca, a wieki później te pionierskie rysunki pomagają naukowcom rozwiązać zagadkę Słońca.

Chociaż wszystko w Układzie Słonecznym kręci się wokół Słońca, naukowcom nie udało się jeszcze odkryć wielu tajemnic tej gwiazdy.

Jednakże badanie zmian Słońca w czasie, w tym cyklu słonecznego, może odpowiedzieć na niektóre od dawna zadawane pytania dotyczące kuli ognia i jej zmian.

Niektóre z tych pytań dotyczą aktywności słonecznej w XVII wieku, który był kluczowym okresem w badaniu słońca.

Astronomowie Plamy na Słońcu obserwowane za pomocą teleskopów W 1610 roku doszło do pierwszej obserwacji Słońca. W tym samym czasie Słońce przechodziło niezwykłe przejście w dłuższy okres słabej aktywności. Długo ignorowane rysunki Keplera, pomijane, ponieważ były to raczej rysunki, a nie obserwacje teleskopowe, mogły dostarczyć doniosłych spostrzeżeń historycznych.

Nowe badanie odtwarzające warunki, w jakich Kepler tworzył swoje rysunki, ukazało się 25 lipca Listy do dzienników astrofizycznych.

„Kepler wniósł wiele historycznych kamieni milowych do astronomii i fizyki XVII wieku, pozostawiając swoje dziedzictwo nawet w epoce kosmicznej” – powiedział Hisashi Hayakawa, główny autor badania i adiunkt w Instytucie Badań Kosmicznych i Środowiska Ziemskiego Uniwersytetu w Nagoya. oświadczenie.

„Dodajemy, że zapisy Keplera dotyczące plam słonecznych są o kilka lat starsze od obecnych teleskopowych zapisów plam słonecznych z 1610 r. o kilka lat. Jego rysunki plam słonecznych są świadectwem jego umiejętności naukowych i wytrwałości w obliczu ograniczeń technologicznych”.

Słońce przechodzi 11-letni cykl wzrostu i spadku aktywności, zwany cyklem słonecznym. Naukowcy obecnie uważają, że Słońce osiąga lub zbliża się do szczytu swojej aktywności słonecznej, czyli rocznego szczytu jego aktywności w bieżącym cyklu słonecznym, zwanym 25. cyklem słonecznym.

Maksymalna aktywność Słońca zwykle wiąże się ze wzrostem liczby plam widocznych na powierzchni Słońca. Te ciemne obszary, z których niektóre mogą być wielkości Ziemi lub większe, powstają w wyniku potężnych i stale zmieniających się pól magnetycznych Słońca.

Naukowcy śledzą dziś aktywność Słońca, korzystając z danych z obserwatoriów naziemnych i kosmicznych, map magnetycznych powierzchni Słońca oraz obserwacji zewnętrznej atmosfery Słońca w ultrafiolecie.

Jednak nawet próba obserwacji słońca była trudnym zadaniem wieki temu.

Mark Misch, badacz w Centrum Prognoz Pogody Kosmicznej Narodowej Agencji Oceanicznej i Atmosferycznej w Boulder w Kolorado, powiedział, że plamy słoneczne obserwowano gołym okiem we mgle lub dymie spowodowanym pożarami lub w pobliżu wschodu lub zachodu słońca, kiedy atmosfera pomogła przyciemnić jasność. Słońce. Misch nie był zaangażowany w nowe badania.

Kepler użył urządzenia zwanego kamerą obscura, które wykorzystując mały otwór w ściance urządzenia, wyświetlało obraz Słońca na kartce papieru i rysowało zaobserwowane cechy. Kepler błędnie sądził, że wykonał zdjęcie planety Merkury poruszającej się po orbicie wokół Słońca w maju 1607 roku, ale 11 lat później wycofał swój raport i ustalił, że zaobserwował grupę plam słonecznych.

„Ponieważ zapis ten nie był obserwacją teleskopową, omawiano go jedynie w kontekście historii nauki i nie wykorzystywano go do ilościowych analiz cykli słonecznych w XVII wieku” – powiedział Hayakawa.

„Ale to najstarszy rysunek plamy słonecznej, jaki kiedykolwiek wykonano za pomocą instrumentu obserwacyjnego i projekcyjnego. Zdaliśmy sobie sprawę, że ten rysunek plamy słonecznej powinien nam wskazywać lokalizację plamy słonecznej i etap cyklu słonecznego w roku 1607. o ile byliśmy w stanie zawęzić punkt i czas obserwacji oraz zrekonstruować nachylenie „współrzędnych obrazowania Słońca – czyli lokalizacji obiektów na powierzchni Słońca – w tym momencie”.

Najniższy poziom słońca

Plamy słoneczne nie są jedynym sposobem, w jaki naukowcy mogą zrozumieć zmiany zachodzące na Słońcu. Misch twierdzi, że zmiany w polu magnetycznym Słońca regulują ruch cząstek o wysokiej energii, zwanych promieniami kosmicznymi, w przestrzeni.

Kiedy promienie kosmiczne uderzają w atmosferę ziemską, mogą zmienić jej skład chemiczny, w tym bilans węgla.

„Z biegiem czasu ten węgiel wchłania się w rośliny, zwierzęta, a nawet w nasze ciała” – mówi Misch. „Słoje drzew dają wyjątkową okazję do śledzenia zmian w zawartości węgla z roku na rok. Niektóre słoje starożytnych drzew można prześledzić tysiące lat wstecz. Podobnie izotopy węgla i inne pierwiastki można prześledzić poprzez pęcherzyki powietrza uwięzione w rdzeniach lodowych lodowców”.

Misch powiedział, że izotopy węgla uwięzione w słojach drzew i rdzeniach lodowych wykorzystano do kontekstualizacji starożytnych obserwacji plam słonecznych i poszerzenia naszej wiedzy o aktywności słonecznej przed wystąpieniem obserwacji plam słonecznych.

Dane te pomogły astronomom zrozumieć Minimum Maundera, okres słabych i wysoce nieprawidłowych cykli słonecznych w latach 1645-1715. Podczas tzw. dużego minimum słonecznego plamy słoneczne prawie zniknęły, a nieliczne zaobserwowane plamy pojawiły się jedynie na półkuli południowej. Astronomowie wciąż debatują obecnie nad podstawowym mechanizmem dużego minimum słonecznego, zwłaszcza próbując dowiedzieć się, kiedy i czy może ono nastąpić w nadchodzących stuleciach.

Jednak astronomowie zgadzają się, że wzorzec aktywności słonecznej stopniowo zmieniał się z regularnych cykli do dużych minimów.

A Analiza dawnych słojów drzew Zaproponował, że krótki cykl słoneczny, cykl słoneczny minus 14, trwał tylko pięć lat i prowadził do niezwykle długiego cyklu słonecznego trwającego 16 lat, znanego jako cykl słoneczny minus 13 lat.

„Jeśli to prawda, byłoby to naprawdę interesujące” – stwierdził Hayakawa. Jednak inna rekonstrukcja oparta na słojach drzew wskazała sekwencję cykli słonecznych w normalnych okresach (11 lat). Której rekonstrukcji powinniśmy więc zaufać? ważne jest, aby zweryfikować te rekonstrukcje za pomocą niezależnych – najlepiej obserwacyjnych – zapisów.”

Sięgnął więc do rysunków Keplera.

Hayakawa i jego współpracownicy przetłumaczyli oryginalny raport Keplera, napisany po łacinie, aby zrozumieć dokładną orientację jego rysunków plam słonecznych, a także zawęzić czas i miejsca, w których Kepler dokonywał obserwacji.

Następnie Hayakawa odwiedził miejsca w Pradze, w tym francuską siedzibę korony Keplera i warsztat nadwornego mechanika Justusa Borghe, aby lepiej poznać teren, z którego Kepler widział plamy słoneczne.

Nowoczesne narzędzia danych umożliwiły Hayakawie i jego współpracownikom obliczenie nachylenia plamy słonecznej i określenie jej położenia na Słońcu. Zgłosili się również Prawo Sporerapo raz pierwszy zaobserwował angielski astronom-amator Richarda Christophera Carringtona Został on jednak rozwinięty dalej przez niemieckiego astronoma Gustava Spurriera, który opisał migrację plam słonecznych z wyższych do niższych szerokości geograficznych podczas cyklu słonecznego.

Zespół badawczy doszedł do wniosku, że grupa plam słonecznych obserwowanych przez Keplera należy do końca cyklu słonecznego minus 14, a nie do początku cyklu słonecznego minus 13.

Wyniki potwierdzają tezę, że cykl minus 13 lat Słońca trwał regularnie 11 lat, a nie 16 lat. Naukowcy byli również w stanie oszacować, że cykl minus 13 Słońca prawdopodobnie rozpoczął się między 1607 a 1610 rokiem.

„To pokazuje typowe przejście z poprzedniego cyklu słonecznego do następnego, zgodnie z prawem Spohrera” – powiedział Thomas Tijou, jeden z autorów badania i obserwator w Centrum Analiz Danych Wpływu Słońca w Królewskim Obserwatorium Belgii. oświadczenie.

Ponieważ najdłuższy cykl słoneczny, jaki kiedykolwiek zarejestrowano w ciągu ostatnich trzech stuleci, trwał 14 lat, nadszedł czas, aby znaleźć kolejne naukowe wprowadzenie do Minimum Maundera, powiedział Hayakawa.

Sabrina Bechet, współautorka badania i badaczka w Królewskim Obserwatorium w Belgii, powiedziała, że ​​wciąż można się wiele nauczyć od postaci historycznych, takich jak Kepler.

„Jak powiedział mi jeden z moich kolegów, interesujące jest to, że zapisy dziedzictwa postaci historycznych nawet wieki później niosą ze sobą bardzo ważne naukowe implikacje dla współczesnych uczonych” – stwierdził Bechet. „W przypadku Keplera stoimy na ramionach naukowego giganta”.

Rysunki Keplera pomagają w toczących się dyskusjach na temat cykli słonecznych, które doprowadziły do ​​minimum Maundera, co może również pomóc astronomom w modelowaniu warunków przed zdarzeniem, powiedział Hayakawa.

„Umieszczając wyniki badania Keplera w szerszych rekonstrukcjach aktywności słonecznej, naukowcy zyskują kluczowy kontekst do interpretacji zmian w zachowaniu Słońca w tym kluczowym okresie, który reprezentuje przejście od regularnych cykli słonecznych do dużego minimum słonecznego” – powiedział.

Misch nazwał nowe badanie „imponującym dziełem” i przykładem pracy dochodzeniowej, która wydobywa nowe spostrzeżenia z zapisów historycznych.

„Długa historia obserwacji plam słonecznych na przestrzeni wieków łączy pokolenia astronomów, którzy patrzyli na Słońce z szacunkiem i ciekawością, która ewoluowała od przesądów, przez badania naukowe, aż do zrozumienia. Inspirujące jest obserwowanie, jak astronomowie z przeszłości nadal wnoszą wkład w badania naukowe odkryciem, ich wysiłki są teraz ważniejsze niż kiedykolwiek wcześniej.” „Nigdy nie mogli sobie tego wyobrazić, ponieważ nasze technologiczne społeczeństwo staje się coraz bardziej podatne na wieczne wzloty i upadki aktywności słonecznej”.