Непрерывно следя за этой рябью, можно построить спектр акустических колебаний Солнца и сравнить его с предсказаниями различных теоретических моделей внутреннего строения нашего светила. Причем неглубокие моды «прочесывают» приповерхностные слои, а радиальные и близкие к ним колебания несут информацию не только об условиях в ядре Солнца, но и о событиях на его противоположной стороне. Благодаря этому удается фиксировать активные области до того, как они выйдут из-за края солнечного лимба, а также следить за ними уже после того, как они скроются из виду.
Модель одной из миллионов нерадиальных мод колебаний на поверхности Солнца. Смещения преувеличены более чем в 1000 раз (справа, фото: MSFC/NASA)
Резонансное акустическое колебание внутри Солнца. Разными цветами показаны области газа, смещенные в разных направлениях (слева, фото: EUROPEAN SOUTHERN OBSERVATORY)
Анатомия солнечного вихря
За последние 30 лет гелиосейсмологи смогли получить детальные сведения о распределении плотности, температуры и содержании гелия в солнечных недрах. Содержание гелия характеризует степень переработки водородного топлива солнечным термоядерным реактором. По нему можно оценить, что возраст нашего светила составляет 4,65 миллиарда лет. Это прекрасно согласуется с данными о возрасте Земли, которые получены совершенно независимым методом — по распаду радиоактивных элементов. Одним из первых результатов телескопических наблюдений, сделанных еще в XVII веке, стало определение скорости вращения Солнца по движению пятен на его поверхности. Экваториальные области делают оборот за 25 суток. С ростом широты период увеличивается, достигая у полюсов 38 суток. Но о том, как вращается Солнце внутри, до появления гелиосейсмологии можно было только догадываться. Теперь же все стало ясно: движение вещества в солнечных недрах сносит (икажает) проходящие по нему акустические волны, причем по-разному на различных расстояниях до центра. И в общей картине колебаний на поверхности Солнца появляются дополнительные частоты, по которым и определяется скорость вращения на глубине, куда проникает соответствующая мода.
Так, например, оказалось, что быстрее всего вращается вещество на глубине нескольких десятков тысяч километров под экватором. В конвективной зоне Солнца, где энергия выносится наверх за счет перемешивания газа, вращение носит сложный характер: с глубиной угловая скорость на экваторе убывает, а вблизи полюсов растет. Ядро Солнца вращается как твердое тело, то есть в нем угловая скорость от расстояния до центра уже не зависит. А на расстоянии в 500 тысяч километров от центра расположен узкий слой — тахоклин, исполняющий роль смазки между ядром и нижней границей конвективной зоны. Предполагается, что именно он отвечает за магнитную активность Солнца.
О вращении вещества в самом центре Солнца, в радиусе менее 200 тысяч километров, пока толком сказать нечего. Акустические моды здесь мало что могут подсказать, и потому большие надежды возлагаются на еще один вид колебаний — так называемые гравитационные моды. В них роль движущей силы играет не давление, как в акустических модах, а подъем и опускание вещества в поле тяготения ядра звезды. В отличие от акустических мод, сосредоточенных в основном у поверхности, гравитационные моды «играют» в центре. Именно в них зашифрованы тайны солнечного ядра. К сожалению, с приближением к поверхности они быстро затухают. На сегодня есть лишь одно наблюдение, в котором их как будто удалось зафиксировать, и из него следует, что внутреннее ядро Солнца вращается чуть ли не в пять раз быстрее внешнего ядра. Но эти результаты еще нуждаются в дополнительной проверке.
Модель магнитных полей в конвективной зоне, определяющих активность Солнца. В синих областях поле направлено на восток, в красных — на запад (слева, фото: HAO/UCAR) и модель конвекции у поверхности Солнца в области глубиной 20 и шириной 48 мегаметров. Красные линии — восходящие потоки, синие — нисходящие (справа, фото: CHRIS HENZE/NASA)
Спасибо экзопланетчикам
Солнце, при всей его важности для нас, — лишь одна звезда, одна точка на графике. Для общей проверки теории звездной эволюции этого явно недостаточно. Однако изучение колебаний других звезд — очень сложная задача. На Солнце максимальная амплитуда колебаний скорости в одной моде составляет 15–20 см/с. Измерить столь крохотные сдвиги линий можно пока лишь в спектрах ближайших (и потому ярких) звезд, да и то при использовании лучших спектрографов. Впрочем, иногда можно обойтись и без спектров. Пульсации звезды сопровождаются не только «пляской» спектральных линий, но и небольшими вариациями блеска. Главенствующую роль в астросейсмологии играют частоты пульсаций, и порой не так важно, по какому именно наблюдаемому параметру звезды они определены. Поэтому вместо трудоемкой спектроскопии в некоторых случаях можно проводить более экономичную фотометрию, то есть вместо измерения отдельных линий в спектре контролировать лишь общую яркость звезды. Правда, и это нелегкая задача, так как колебания блеска очень малы — 0,1% и меньше, а значит, нужны очень чувствительные приемники излучения.
К счастью, таких чувствительных приборов в последнее время становится все больше — они требуются для бурно развивающихся исследований планет, находящихся вне Солнечной системы (их тоже обнаруживают по небольшим колебаниям спектральных линий и блеска звезд). И хотя «общественную» славу таким приборам, как спектрографы HARPS (Европейская южная обсерватория, Чили) и HIRES (Обсерватория им. Кека, Гавайские о-ва, США) или космические фотометрические телескопы COROT и «Кеплер», принесли обнаруженные с их помощью экзопланеты, для специалистов не менее, а может быть, и более важен вклад этих инструментов в астросейсмические исследования. Так что неслучайно пульсации солнечного типа у другой звезды (субгиганта эты Волопаса) были впервые достоверно зарегистрированы в 1995 году — почти одновременно с открытием первой экзопланеты. Сегодня подобные пульсации зафиксированы уже у двух десятков звезд. Особенно важны астросейсмические наблюдения для исследования конвекции в звездах. В теории этого процесса есть пробелы, и в компьютерных моделях звезд его приходится запускать, так сказать, «руками», искусственно задавая параметры конвекции. Это, конечно, не лучший способ учитывать действие механизма, который «управляет» магнитным полем солнцеподобных звезд, а на более поздних стадиях эволюции полностью меняет их физическую и химическую структуру. Астросейсмология уже позволила приблизительно определять характер конвекции для одной разновидности голубых гигантов, которые в 10 раз массивнее и в тысячи раз ярче Солнца. Физическая основа возбуждения колебаний у этих звезд не солнечная, а примерно такая же, как у цефеид. У этих звезд также удалось определить зависимость скорости вращения от радиуса. Как и у Солнца, ядро у них вращается в несколько раз быстрее слоев, лежащих ближе к поверхности.
Для обычных солнцеподобных звезд при помощи астросейсмологии удается пока измерить только базовые параметры — массу, радиус, возраст. Но в действительности и это очень много, ведь речь идет о характеристиках одиночных, то есть не входящих в двойные системы звезд, с которых прежде никакими способами нельзя было снять «мерку».
Астросейсмические наблюдения не ограничиваются солнцеподобными звездами. Очень интересными обещают стать исследования пульсаций в бывших звездных ядрах — центральных звездах планетарных туманностей и белых карликах. В этих объектах недра могут находиться не просто в твердом, но даже в кристаллическом состоянии. И здесь астросейсмология открывает возможности для тестирования не только теории звездной эволюции, но и более общих разделов физики, описывающих свойства вещества в экстремальных состояниях.