Введение к работе
1.1. Актуальность. До 70-х годов знания о внутреннем строении (ВС) и эволюции звезд и Солнца (С.) основывались в основном на теоретических (теор.) представлениях, некоторых косвенных наблюдательных фактах и изучении поверхностных структур (в случае С.) и активных явлений. Прямой информации о внутризвездных условиях получить из наблюдений было невозможно. Тем не менее, создан ряд моделей С. и звезд, описывающих эволюцию, светимость, химсостав и др. Конечным результатом моделей С, с эволюцией к 4,6-Ю9 лет, является т.наз. стандартная (станд.) модель С. «Ядерные реакции в ядре обеспечивают светимость и тепловое давление, уравновешивающее гравитационную (грав.) силу и удерживающее звезду в равновесии. Решение уравнений дает: химсостав X,Y,Z (обозначения и сокращения обычные), распределение р,р,Т внутри, поток нейтрино F„ и спектр акустических (акуст.) колебаний фотосферы. Однако и 20 лет назад измерения F„ от С. встревожили астрофизиков: Fv (= 2,1 ±0,9 SNU сейчас) меньше, чем предсказывает теория и станд. модель (« 7,9 ± 2,6 SNU). Решение проблемы - или в неизвестных свойствах нейтрино, или в радикальном уточнении знаний о глубоких солн. недрах.
Анализ поверхности и глубоких недр С. усложняется эффектами, связанными с вращением и магнитным полем (м.п.). Широкие возможности для изучения фпз. свойств С. предоставляет переменность на разных масштабах времени. Переменность С. можно разделить на типы: а) явления активности: пятна, акт. области, вспышки, сопутствующие процессы и др.; б) 11- и 22-лет. циклы; в) переменность на шкале >50 лет; г) переменность, обусловленная вращением С; д) колебания.
Предмет исследования - переменность С, связанная с (1) вариациями глобального м.п. С. как звезды, обусловленными (а) вращением, (б) эволюцией м.п. за сутки-месяцы- годы, (в)
быстрыми флуктуациями, (г) 22-лет. циклом, и (2) глобальными колебаниями. Основные величины, измеряемые и/или анализируемые: общее м.п. (ОМП) С. как звезды и межпланетное м.п. (ММП), лучевая скорость колебаний фотосферы и флуктуации яркости, а также вспышки.
В изучении солн. магнетизма много нерешенных проблем: 1) объяснение 22-лет. магн. цикла; закономерности в смене полярности поля пятен и полюсов; широтный дрейф зоны пятно-образования; 2) генерация м.п. динамо-механизмом при участии конвекции и дифф. вращения; 3) вопросы МГД устойчивости и магнитной диссипации и плавучести,- во взаимосвязи с проблемой генерации м.п. в глубине С. и топологией м.п. на поверхности; 4) временные вариации ОМП; 5) влияние м.п. на осцилляции, связь с вращением (особенно в глубине, под конвективной зоной (КЗ)); 6) вынос м.п. из фотосферы, потеря вращательного момента и влияние на эволюцию С.
В нелинейной динамо-модели получено ограничение на зависимость скорости вращения ft от глубины КЗ: dQ/dr < 0. Новые данные гелиосейсмологии (ГС), однако, указывают на уменьшение П внутри и под КЗ,- за исключением верхних слоев фотосферы и, возможно, ядра.
Особый интерес представляют: 1) полярное м.п. и его пе-реполюсовки; 2) т.наз. разбаланс (асимметрия) м.п., измеряемого в фотосфере или межпланетном пространстве: перевес одной полярности над другой в N или S полусфере или на всем видимом диске С; 3) дуализм м.п. С. по отношению к вращению: дифференциальное (дифф.) по широте с признаками "твердотельного" вращения.
При изучении магнетизма С. большое значение имеют измерения интегрального м.п. С. как звезды. Такие измерения начаты акад. А.Б.Северным в 1968 г. и продолжены автором (с сотрудниками) до 1976 г. Впоследствии регулярные измерения велись в обсерваториях: М.Уилсон, Саяны, Станфорд.
В течение последних 15 лет бурно развивается ГС - новое направление в физике С. - эффективный метод (наряду с нейтринным экспериментом) изучения ВС С. и источников энергии по его собственным колебаниям.
До 1974 г. были известны открытые Лейтоном и др. около 30 лет назад некогерентные акуст. осцилляции отдельных участков солн. атмосферы с периодами Р около 5 мин (5та). Некоторые авторы сообщали также о колебаниях ограниченных областей с Р от 10т до 50т. Но эти колебания не подтверждались, и если они и имеют солн. происхождение, то отличаются нестационарностью. В 1974 г. в КрАО и, независимо, в Бирмингеме (Англия) и Аризоне (США) начаты новые исследования колебаний С. в целом,- с целью обнаружения долгопериодных (с Р>1 ч) колебаний С. как звезды,- т.е. глобальных колебаний.
До этого глоб. колебания были установлены для переменных звезд, в части., цефеид. Однако наиболее типичные представители таких звезд принадлежат к другим, чем С, классам. Теор. исследования показали, что свойство пульсировать тесно связано с их ВС; в части., имеет место соотношение:
1 /2
Рр0' = a=const (ро - средняя плотность); а определяется концентрацией вещества к центру. Для С. поиск пульсаций (напр., нерадиального типа, р- (акуст.) и д- (грав.) мод) представляет большой интерес для получения новой информации о ВС, т.к. некоторые моды (низкой степени /) проникают в глубинные слои, вплоть до ядра.
Для детектирования глоб. колебаний необходимо было разработать методику измерений лучевой скорости (с чувствительностью и 10-5А, или «1 м/с при времени интегрирования и 5 — 10т). Особый интерес представляла также регистрация малоамплитудных колебаний яркости и О МП.
Согласно современным представлениям, желтый карлик -С, находящийся на главной последовательности, эволюциони-
рует к красным гигантам, и Lq, а также "солн. постоянная" (СП) со временем должны расти. В рамках станд. модели изменение Lq при превращении водорода в гелий »30%. Это оа-ставляет некоторых астрофизиков сомневаться в модели: такое изменение Lq противоречит истории Земли.
Вариации Lq важны для Земли (особенно в УФ-области). После 1979 г. беспрецендентные по точности («0,01%) болометрические измерения сделаны на спутнике SMM. Они показали изменения «0,1-0,3%, обусловленные пятнами и факелами из-за вращения С, а также тренд «0,1%, связанный с циклом солн. активности (СА). Некоторые полагают, что часть вариаций обусловлена глоб. осцилляциямн и/или температурными флуктуациями фотосферы, а также малыми изменениями ВС и м.п. под КЗ.
Эти результаты подтверждают старую точку зрения, что механизм цикла кроется в глубине, дальше основания КЗ, и ставят под сомнение динамо-теории, в которых основные МГД процессы протекают в КЗ (и где допускается весьма произвольная корректировка параметров турбулентности). Более привлекательными некоторые астрофизики считают др. теории, в основе которых лежит представление о глоб. осцилля-циях С, контролируемых м.п.
Основная трудность при наземных наблюдениях колебаний светового потока от С. - влияние прозрачности земной атмосферы. Тем не менее, при достаточно хороших атмосферных условиях и с применением корректной методики измерений и обработки данных в наземных условиях возможно регистрировать относит, колебания яркости ~ Ю-4 — 10~6.
Исследованиями последних лет установлено, что СП изменяется с Р от минут до часов и более - с амплитудами ~ Ю-4 — Ю-6. Часть вариаций обусловлена акуст. и, возможно, ^-модами колебаний; а изменения на шкале сутки-месяцы, вызванные СА, достигают ~ 10~2. Вариации иррадиации (и СП)
модулированы циклом и, по-видимому, тесно связаны с изменениями глубинного м.п. и ВС.
1.2. Цель исследования. Изучению локальных м.п. посвящено много работ. Новую информацию для выяснения механизма динамо, СА и цикла, представляют наблюдения крупномасштабных м.п. в фотосфере и ОМП. Поэтому ставится задача - изучение (а) быстрых (день ото дня) флуктуации ОМП,
(б) характеристик и вращения секторной структуры (СС) м.п.,
(в) медленных ("сезонных"; напр., годовых) вариаций ОМП,
(г) вариаций, связанных с 11-лет. циклом, (д) разбаланса магн.
потока (т.наз. "магн. асимметрия") С, (е) переполюсовок
м.п. на полюсах, (ж) быстрых (в течение дня) малоампли
тудных флуктуации ОМП. Исследование СС ММП, вместе с
вариациями ОМП, позволяет выявить эволюцию и изменения,
связанные с вращением и циклом; в целом,- изучать свойства
солн. магнетизма и динамику внутр. областей звезды.
Одно из главных динамических свойств С. - вращение. Задачей является определение П по вариациям ОМП и ММП, что, по сути, представляет новый метод изучения вращения С. (анализ спектров мощности (СМ)),- отличающийся от работ, основанных на анализе вращения отдельных структур поверхности, и от спектроскопического метода. Особое внимание обращается на дискретный характер вращения ОМП, на вращение м.п. под КЗ, на двойственность вращения, имеющего два основных (синодич.) периода, «27 и 28 сут.
Дополнительно рассматривается: а) "абсолютная" скорость вращения "глоб." м.п. (вместе с П фотосферы, КЗ и подкон-вективных слоев); б) зависимость П (м.п.) от гелиошироты <р и глубины z, а также фазы цикла СА; в) существуют ли новые возможности (прямо или косвенно) измерить ft в глубоких слоях, включая ядро С.?; г) чем обусловлено "твердотельное" вращение С. и его м. поля?
Впервые ставится задача (а) получить и обобщить наи-
более полный материал о переменности ОМП и полярности ММП и (б) выявить наиболее устойчивые периодичности. Целью было также создание принципиально нового метода изучения ВС вплоть до энерговыделяющего ядра (теперь: ГС).
Автором (вместе с А.Б.Северным) в 1973-74 гг. поставлена задача: (а) создать чувствительный метод и аппаратуру для регистрации малоамплитудных (~ 1 м/с) глоб. колебаний, (б) зарегистрировать долгопериодные (Р>1 ч) колебания С. как целого,- с наинизшим, по возможности, пространственным разрешением (для мод самых низких /, проникающих максимально вглубь звезды) и (в) по частотам колебаний С. как звезды исследовать глубокие недра. Одновременно поставлены задачи: а) обнаружение #-мод С, изучение их СМ, отождествление наблюдаемых частот с теор. спектрами; б) расчеты методом сфер, функций Yjm(9, <р) для идентификации мод; в) разработать методику учета и исключения трендов и помех, обусловленных атмосферой. А также: а) критический анализ моделей ВС на основе СМ глоб. колебаний и рассмотрения ряда актуальных проблем физики С; б) установление возможной связи между глоб. колебаниями и такими процессами, как вспышки, рентгеновские всплески, флуктуации радиопотока и ОМП; поиск периодических компонент; в) обнаружение период, вариаций солн. излучения (и/или яркости фотосферы), связанных с колебаниями, что включает (1) разработку метода регистрации флуктуации яркости в опт. и ИК диапазонах, (2) учет трендов, помех и эффектов, вносимых атмосферой и инструментом, (3) поиск <7-мод на основе измерений яркости, (4) детектирование 5т-осцилляций яркости, сопоставление с внеатмосферными измерениями; г) впервые ставится задача обнаружения когерентных колебаний С, сохраняющих начальную фазу на протяжении неск. суток, месяцев и лет; д) поиск эффектов, обусловленных 11(22)-лет. циклом, в СМ глоб. колебаний и явлений, вызванных переменностью ОМП; е) анализ гипотез о быстром или "сверхбыстром"
вращении центрального ядра. Большинство проблем - новые для астрофизики; некоторые до 1973 г. в физике С. не рассматривались.
1.3. Научная новизна. Основная информация о солн. поверхности, вращении и явлениях С А получена на основе изучения характеристик, превышающих "шумы" (пятна, акт. области и т.д.). Наша задача - исследование слабых величин, сравнимых с шумами: регистрация степени поляризации ("зеема-новской") ~ 10"5 - 3 10~7, измерение м.п. « 1-0,01 Гс, лучевой скорости и 1 — 0,1 м/с, относит, флуктуации светового потока ~ 10~5 — 10~6. В итоге:
1) Получен многолетний массив измерений ОМП С, который положен в основу мирового каталога ОМП. На основе этих данных и с привлечением др. измерений (СибИЗМИР, М.Уилсон, Станфорд) изучаются вариации и вращение м.п., осцилляции С. и ММП,- в связи с вращением, переменностью и СС С. 2) На основе данных о ММП и ОМП рассматриваются медленные и быстрые флуктуации м.п., включая полярное поле,- в части., магн. разбаланс (м. асимметрия) С. и годичная вариация. 3) Определяются доминирующие периоды вращения м.п. за несколько циклов. 4) Впервые ставится вопрос об "экспериментальном" - помимо нейтринного детектора - изучении глубоких недр С. по наблюдениям глоб. колебаний. Впервые применен метод ГС для изучения ВС и источников энергии С. 5) Разработан и успешно применен дифф. метод наблюдения колебаний С. на основе солн. магнитографа Г.Бэбкока. б) Разработан дифф. метод измерения осцилляции яркости С. с применением: а) ИК-детектора и линейного сканера; б) интегральных фотодиодных матриц с числом ячеек 256 и 1024. Созданы и внедрены соответствующие измерительные устройства. 7) В 1974-89 гг. выполнены длительные - в течение более 1000 дней - наблюдения глоб. колебаний С; данные проанализированы, вычислены СМ. Сделано сопоставление с теор. моделями С. 8) Выполнены расчеты погрешно-
стей, связанных с измерениями малоамплитудных колебаний С, и расчеты чувствительности инструментов для д-моц. 9) Впервые выдвинута и реализована идея поиска глоб. осцилляции С, сохраняющих фазу на протяжении многих суток, месяцев и лет. Получены соответствующие данные, выполнен их анализ.