Систематические наблюдения солнечных осцилляции ведутся уже на протяжении десятилетия. Имея столь представительный ряд наблюдений, ученые заинтересовались вопросом, не происходит ли каких-либо изменений частот колебаний в течение 11-летнего солнечного цикла, которые позволили бы выявить структурные деформации в недрах Солнца, сопровождающие этот цикл. Высокоточные наблюдения последних лет со всей очевидностью показали, что изменения частот действительно происходят. Возможные их причины и механизмы сейчас исследуются. Предварительный анализ, выполненный методом обратной задачи, показывает: изменения в строении Солнца, ответственные за изменения частот колебаний, происходят главным образом его внешних слоях и на широтах максимальной магнитной активности Солнца. Возможно, что изменения частот обусловлены прямым влиянием магнитного поля на колебания. Но не исключено и косвенное воздействие через изменения температуры, поскольку магнитное поле подавляет конвекцию и влияет на ее эффективность.
Измерение содержания гелия
Классические представления о химическом составе Солнца (как и других астрофизических объектов) основаны на данных спектрального анализа. По спектральному составу солнечного излучения удалось определить относительное содержание многих химических элементов. Однако практически нет прямых измерений относительного содержания гелия — второго по распространенности (после водорода) химического элемента во Вселенной. А ведь оценка его содержания представляет большой космологический интерес, начиная от теории Большого Взрыва и кончая образованием и эволюцией Солнечной системы. Поскольку спектральными методами содержание гелия определить не удается, в этом вопросе принято полагаться на предсказания стандартных эволюционных моделей Солнца. (Имеется в виду начальное содержание гелия в протосолнечном веществе, сохранившееся, как принято считать, неизменным в солнечной оболочке; в ядре содержание гелия возрастает в течение эволюции за счет выгорания водорода.) Нельзя ли определить содержание гелия сейсмическими методами? Это было бы особенно интересно, поскольку, как мы уже видели, предсказания стандартных моделей вызывают сомнения. На первый взгляд кажется, что сейсмические методы тут не помогут, ведь такие данные чувствительны к определенным механическим свойствам вещества, но отнюдь не к его химическому составу. Однако их все-таки можно применить. Идея, впервые предложенная английским астрономом Д. Гофом, состоит в следующем.
На поверхности Солнца, где температура и давление еще не слишком велики, гелий находится в нейтральном состоянии, в недрах же он полностью ионизован. На глубине, составляющей 1— 2 % солнечного радиуса, располагается зона ионизации гелия, где он частично ионизован. При сжатии частично ионизованного вещества рост температуры и давления ведет к увеличению степени ионизации. Поэтому упругость вещества в зоне ионизации несколько уменьшается, что отражается на скорости звука и на частотах акустических колебаний. По величине этого эффекта можно измерить содержание гелия.
Соответствующие эффекты в частотах колебаний весьма невелики, в относительном масштабе порядка 10^-3, но из современных наблюдательных данных их удается надежно выделить. Полученные оценки содержания гелия находятся в пределах от 23, 5 до 26, 5 % (по массе). Эта величина существенно меньше той, которую предсказывают стандартные модели (они дают оценку от 27 до 29 %). Интересно отметить, что точность наблюдательных данных сама по себе позволяет лучше измерить содержание гелия. Такие измерения безусловно будут сделаны в ближайшее время — пока этому препятствуют лишь некоторые теоретические неопределенности в уравнении состояния частично ионизованной плазмы. Но ведь и само это уравнение, влияющее на упругость вещества на различных глубинах, можно уточнять по сейсмическим данным. Здесь уже речь идет о тончайших эффектах в частотах колебаний. Однако детальные исследования, выполненные в последнее время специально разработанными методами обратной задачи, выявили вполне определенные погрешности в теоретических уравнениях состояния. Перспективы, открывающиеся в области сейсмических исследований Солнца, превращают его в уникальную природную лабораторию для изучения физики высокотемпературной плазмы.
Внутреннее вращение Солнца
Определенное, весьма специфическое влияние на частоты колебаний Солнца оказывает его вращение. Эффекты эти, правда, очень малы, но они надежно выделяются в наблюдательных данных и дают уникальную возможность для изучения внутреннего вращения Солнца, которое может сильно отличаться от поверхностного, Как мы уже говорили, акустические колебания классифицируются по двум индексам — радиальному номеру n (число узлов по радиусу) и степени I (количество узловых линий по поверхности Солнца). Вращение нарушает сферическую симметрию задачи, поскольку появляется выделенное направление — ось вращения Солнца. При этом _ обогащается спектр колебаний — в нем появляется некоторая дополнительная тонкая структура. В результате каждая частота колебаний расщепляется на несколько близких частот (подобно расщеплению энергетических уровней атома под действием магнитного поля — эффект Зеемана). Величина и характер расщепления зависят от скорости вращения в недрах Солнца, ее распределения по глубине и широте. Они будут неодинаковы для разных мультиплетов, поскольку различные моды колебаний проникают на разную глубину в солнечные недра.
Анализ расщепления частот колебаний и решение соответствующей обратной задачи позволили составить надежное представление о внутреннем вращении Солнца до глубины примерно в половину солнечного радиуса. Результаты оказались весьма неожиданными с теоретической точки зрения. Зависимость угловой скорости вращения от широты, наблюдаемая на поверхности (быстрее вращаются экваториальные области), сохраняется по всей глубине конвективной оболочки Солнца. При переходе в лучистую область вращение меняется на твердотельное, и его скорость становится промежуточной между скоростью экваториальных и .полярных областей в конвективной зоне. Скорость вращения с глубиной быстро меняется лишь в узком слое у основания конвективной зоны. Именно здесь, вероятно, действует механизм электромагнитного динамо, ответственный за генерацию солнечных магнитных полей.
Проблемы и перспективы
Специфическую тонкую структуру в частотах колебаний могут вызывать эффекты внутреннего магнитного поля Солнца: анализ наблюдательных данных уже указал на сильную концентрацию магнитных полей (напряженностью 1—2 МГс) у основания конвективной зоны.
Кроме короткопериодических акустических осцилляции Солнце может иметь колебания и иной физической природы— гравитационные, с периодами больше одного часа. По своей природе они аналогичны волнам в земной атмосфере и океанах. Сообщения о регистрации таких колебаний на Солнце пока противоречивы — здесь требуются длительные наблюдения, свободные от искажений в земной атмосфере, и основные надежды возлагаются на наблюдения из космоса. К области долгопериодных относятся и загадочные 160-минутные колебания, открытые в Крымской астрофизической обсерватории А. Б. Северным, В. А. Котовым и Т. И. Цапом. Далеко не все понятно и в высококачественных наблюдательных данных о короткопериодных колебаниях, и новые теоретические проблемы возникают пока гораздо быстрее, чем решаются старые.
В наблюдениях с Земли особенно важно обеспечить их непрерывность при смене дня и ночи. Для этого используются сети из нескольких станций, разнесенных по долготе. С трех станций — на Канарских островах, на Гавайях и в Австралии — ведет наблюдения группа Бирмингемского университета. Сеть из семи станций создается по проекту международного сотрудничества IRIS (International Research on the Interior of the Sun); одна из станций успешно функционирует в нашей стране — на горе Кумбель вблизи Ташкента. Вскоре начнутся наблюдения с высоким пространственным разрешением на шести станциях международной рабочей группы GONG (Global Oscillation Network Group); этот крупный проект финансируется Национальным Научным Фондом США. Готовится аппаратура для новых наблюдений из космоса, которые особенно перспективны, поскольку позволяют полностью освободиться от эффектов земного вращения и неоднородностей в земной атмосфере. Наиболее обширные программы наблюдений разрабатываются для космической обсерватории SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) no совместному проекту Европейского Космического Агентства и НАСА.
Исследования по сейсмологии Солнца углубляются и затрагивают все больший круг научных направлений — физики плазмы, ядерной физики, магнитной гидродинамики. Расширяется международное сотрудничество по гелиосейсмологии. В нашей стране систематические наблюдения идут в Крымской астрофизической обсерватории, ряд интересных результатов получен в Саянской обсерватории СибИЗМИР. Во многих институтах и астрономических обсерваториях ведутся теоретические исследования, определенную поддержку которым оказывает Координационный научно-методический совет «Зодиак».