Keplers banbrytande solfläcksskisser från 1607 löser i vår tid solmysterier

 

Med hjälp av modern teknik har forskare på nytt undersökt Johannes Keplers halvt bortglömda solfläcksteckningar och då avslöjat tidigare dold information om solcyklerna före det stora solminimumet. Genom att återskapa förhållandena då Kepler nedtecknande sina observationer och tillämpat Spörers lag (Driften av den genomsnittliga latituden för solfläckar mot solens ekvator under den 11-åriga solfläckscykeln) i ljuset av modern statistik har en internationell samarbetsgrupp under ledning  från Nagoya University i Japan mätt positionen för Keplers solfläcksgrupp och placerat den i slutet av solcykeln före den cykel som Thomas Harriot, Galileo Galilei och andra tidiga teleskopobservatörer nedtecknade.

I maj 1607 registrerade Kepler vad han felaktigt tolkade som en passage av Merkurius över solen vilket senare visade sig vara en solfläcksgrupp. Solfläckar är områden på solens yta som som är mörkare på grund av intensiv magnetisk aktivitet. Deras förekomst, frekvens och latitudfördelningar uppträder i cykler som påverkar solstrålning och rymdväder.

Hisashi Hayakawa, huvudförfattare till studien menar att forskarna har underskattat betydelsen av Keplers fynd.

– Eftersom den här registreringen inte var en observation gjord med teleskop har den bara diskuterats i vetenskapshistoriska sammanhang och har inte använts för kvantitativa analyser av solcyklerna på 1600-talet, beskriver han. Observationen är den äldsta  av solfläckar som någonsin gjorts med en instrumentell observation och projektion.

Hayakawa beskriver vidare: "Vi insåg att den här solfläcksritningen borde kunna berätta för oss var solfläcken befann sig och indikera solcykelfasen 1607 när vi lyckades begränsa observationspunkten och tiden och rekonstruera lutningen på de heliografiska koordinaterna – det vill säga positionerna för egenskaper på solens yta vid den tidpunkten.

"Observationerna är viktiga eftersom 1600-talet var en avgörande period i solcykeln, inte bara som den tid då solfläcksobservationer precis hade börjat utan också som den tid då solaktiviteten övergick från normala solcykler till Maunderminimum (det långvariga solfläcksminimumet", var en period under 1645 till 1715 då solfläckar var mycket sällsynta) ett unikt stort solminimum i observationshistorien. 

Det är inte helt klarlagt hur mönstret för solaktiviteten skiftade från regelbundna cykler till ett minimum annat än att övergången skedde gradvis.

Keplers solfläcksdata är en viktig observationsreferens. Genom att analysera Keplers register och jämföra dessa med samtida data och modern statistik gjorde forskarna flera viktiga upptäckter:

Efter att ha "deprojectat" Keplers solfläcksritningar och kompenserat för solens positionsvinkel, placerade de Keplers solfläcksgrupp på en låg heliografisk latitud.

 För det andra, genom att tillämpa Spörers lag och den kunskap som erhållits från modern solfläcksstatistik, identifierade de solfläcksgruppen som troligen belägen i slutet av solcykeln snarare än i början av solcykeln .

För det tredje står deras resultat i kontrast till senare teleskopobservationer, som visar solfläckar på högre breddgrader på solen. "Detta visar en typisk övergång från den föregående solcykeln till nästa cykel, i enlighet med Spörers lag", beskriver Thomas Teague, observatör för WDC SILSO https://www.sidc.be/SILSO/homeoch medlem av teamet, och hänvisar till den tyske astronomen Gustav Spörer som beskrev en migration av solfläckar från högre till lägre breddgrader under en solcykel. 

För det fjärde gör detta fynd det möjligt för författarna att approximera övergången mellan den föregående solcykeln  och nästa solcykel  mellan 1607 och 1610, genom att begränsa de möjliga datumen när den inträffade. På grundval av detta föreslog Keplers data en regelbunden varaktighet för solcykeln vilket utmanar alternativa rekonstruktioner som föreslår en extremt lång cykel under denna period.

Bild wikipedia. Porträtt från 1610 föreställande Johannes Kepler.

Sambandet mellan Neptunus moln och solfläckarna

 

Sambandet mellan Neptunus moln och solaktivitet är överraskande för forskare eftersom Neptunus endast tar emot solljus med cirka 0,1 % av den intensitet jorden tar emot. Ändå verkar Neptunus globala molniga vädersystem drivas av solaktivitet och inte planetens fyra årstider som var och en varar i cirka 40 år.

För närvarande är molntäckningen på Neptunus extremt låg med undantag för några moln som svävar över planetens sydpol. Ett University of California (UC) Berkeley-lett team av astronomer upptäckte att överflödet av moln som normalt ses vid den isiga jättens mellersta breddgrader började blekna bort 2019.

Jag blev förvånad över hur snabbt molnen försvann på Neptunus, beskriver Imke de Pater, professor emeritus i astronomi vid UC Berkeley och seniorförfattare till studien. Vi såg i huvudsak molnaktiviteten sjunka inom några månader, beskrev hon.

Nu fyra år senare visar de senaste bilderna vi tog i juni att molnen ännu inte har återgått till sina tidigare nivåer, skriver Erandi Chavez, doktorand vid Center for Astrophysics | Harvard-Smithsonian (CfA) i Cambridge, Massachusetts som ledde studien när hon var astronomistudent vid UC Berkeley. Detta är extremt spännande och oväntat eftersom Neptunus tidigare period med låg molnaktivitet inte alls var lika långvarig.

För att övervaka utvecklingen av Neptunus utseende analyserade Chavez och hennes team Keck-observatoriets bilder tagna från 2002 till 2022, Hubble Space Telescopes arkiverade observationer med början från 1994 och data från Lick Observatory i Kalifornien från 2018 till 2019. Under de senaste åren har Keck-observationerna kompletterats med bilder tagna som en del av Twilight Zone-programmet och  Hubbles Outer Planet Atmospheres Legacy (OPAL) –program har också använts.

Bilderna avslöjar ett spännande mönster av säsongsförändringar i Neptunus molntäcke och solcykeln - den period då solens magnetfält vänder vilket sker vart 11: e år då det blir trassligt likt en garnboll. Det är då antalet solfläckar och ökande solflare-aktivitet sker. När cykeln fortskrider bygger solens stormiga beteende till ett maximalt läge tills magnetfältet åter vänder polariteten. Därefter lugnar sig solen igen till ett minimum av solfläckar och solflares och en ny cykel börjar. 

 Forskargruppen fortsätter att spåra Neptuns molnaktivitet. Vi har sett fler moln i de senaste Keck-bilderna som togs under samma tid som NASA: s James Webb Space Telescope observerade planeten; dessa moln sågs särskilt på nordliga breddgrader och på höga höjder, vilket förväntas om man ser ett samband till observerade ökningen av solens UV-flöde under de senaste cirka 2 åren, säger de Pater.

De kombinerade data från Hubble, Webb Space Telescope, Keck Observatory och Lick Observatory kommer att möjliggöra ytterligare undersökningar av fysiken och kemin som leder till Neptunus dynamiska utseende vilket i sin tur kan bidra till att fördjupa astronomernas förståelse inte bara av Neptunus utan också av exoplaneter eftersom många av planeterna utanför vårt solsystem tros ha Neptunusliknande egenskaper. Resultaten från studien  publicerades i tidskriften Icarus.

Man kan ha funderingar på hur mycket solflares och solfläckar har på Jorden som ligger mycket närmre solen än Neptunus då det ger synbara effekter ändå ut till Neptunus (dock är dessa ej förstådda i dag om hur effekterna kan ske).

Bild vikipedia då Voyager 2 för första gången fotograferade molnskuggor på en annan planet här Neptunus. Det var den 25 augusti 1989.

En röd dvärgstjärna där det oavbrutet bildas mängder av solfläckar och ultraviolett strålning

 

En ung planet som virvlar runt den röda dvärgstjärnan AU Microscopii,  31,7 ljusår bort förändrar på oförutsägbara sätt sin omloppsbana varje varv den gör runt sin sol. Den ligger så nära sin sol att den konsekvent tar emot starka energiutkast av oregelbundna explosioner från sin sol vilket gör att planetens   väteatmosfär avdunstar under vissa av sina banturer

Under en planetens banor observerades detta av rymdteleskopet Hubble som då upptäckte att planeten likväl  inte förlorade något material (atmosfär) medan en bana som observerades av Hubble ett och ett halvt år senare visade tydliga tecken på atmosfärisk förlust denna gång.

Denna extrema variation mellan banvarv förundrar astronomerna. Vi har aldrig sett atmosfärisk flykt gå från helt odetekterbar till mycket detekterbar under skilda banvarv runt sin sol, beskriver Keighley Rockcliffe från Dartmouth College i Hannover, New Hampshire. Vi förväntade oss något mycket förutsägbart (att antingen förlusten av atmosfär skedde vid varje varv eller att det aldrig skedde), repeterbart. Men så var det inte här och mätfel misstänktes.

Rockcliffe var även förbryllad över att man kunde se planetens atmosfär puffa ut framför planeten som en strålkastare. Denna observation är uppseendeväckande och vi får undersöka samspelet mellan stjärnan och planeten för att försöka förstå vad som sker, beskriver Keighley.

Stjärnan AU Microscopii (AU Mic) är värd för ett av de yngsta planetsystemen som någonsin observerats. Stjärnan är mindre än 100 miljoner år gammal. Den innersta planeten, AU Mic b, har en omloppsperiod på 8,46 dagar och ligger ungefär 1/10 av planeten Merkurius avstånd från vår sol. Det är en gasplanet och den är ungefär fyra gånger större i diameter än Jorden.

AU Mic b upptäcktes av NASA:s rymdteleskop Spitzer och TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) 2020 med transitmetoden, vilket innebär att teleskop kan observera ett litet dopp i stjärnans ljusstyrka när planeter korsar framför den.

Röda dvärgar som AU Microscopii är de vanligaste stjärnorna i Vintergatan. De borde därför vara värd för majoriteten av planeterna i vår galax. Men kan planeter som kretsar kring röda dvärgstjärnor som AU Mic b få liv att utvecklas? En viktig utmaning är att unga röda dvärgar har våldsamma stjärnfläckar som spränger ut strålning. Denna period med hög aktivitet varar mycket längre än för stjärnor som vår sol.

Fläckarna uppkomst drivs av intensiva magnetfält som trasslar in sig med  stjärnatmosfärens rörelser. När trasslet blir för intensivt bryts fälten och återansluts vilket frigör enorma mängder energi dubbelt upp till 100 gånger mer energiutkast än vår sol släpper ut vid sina utbrott. Det är ett fyrverkeri av kraftiga vindar, facklor och röntgenstrålar som spränger alla planeter som kretsar nära stjärnan, beskriver Rockcliffe.

Under dessa svåra förhållanden bör planeter som bildas inom de första 100 miljoner åren efter stjärnans födelse uppleva att deras atmosfär försvinner ut i rymden och lämna kvar en atmosfärfri kärna.

Vi vill veta vilka typer av planeter som kan klara dessa miljöer. Hur kommer de se ut när stjärnan lugnar ner sig? Och skulle det finnas någon chans till livsutveckling så småningom, eller kommer de att sluta som brända planeter? "Förlorar de så småningom det mesta av sin atmosfär (gasplaneter) och deras kvarvarande kärnor bli superjordar (stenplaneter)? Vi vet inte riktigt hur de slutliga kompositionerna blir eftersom vi inte har något liknande i vårt solsystem.

Framtida forskning kan kanske ge ett svar på detta. Tips det bör finnas ett samband och lösning på gåtan  ovan i att planeten tar olika banor runt sin sol. Någon bana får atmosfär att försvinna någon bevarar atmosfären intakt. 

Bild vikipedia AU Microscopii's fragmentskiva. En fragmentskiva är en ringformad cirkumstellär skiva av rymdstoft och spillror i omlopp runt en stjärna. För att betecknas som fragmentskiva måste ett antal krav vara uppfyllda enligt Lagrange et al., (2000)): Värdstjärnan ska befinna sig på huvudserien av spektraltyp. 

Stoftets luminositet ska vara mycket lägre än stjärnans. Värdstjärnans massa ska vara mer än hundra gånger större än massan av stoft och gas. Gasfattig; gasens massa ska vara mindre än 10x stoftets massa. Stoftkornens livstid ska vara mycket kortare än stjärnans

Just nu finns en stor solfläck som kan innebära fara för oss här på Jorden

 

Nyligen skedde en massiv explosion på andra sidan av solen från oss sett som resulterade i en potentiell X-klassflare innebärande i detta fall en av de mest kraftfulla solfläckar solen kan producera. Solstormen som kastades ut kommer med nöd och näppe att missa jorden medan solfläcken varifrån solstormen kom kan ändras över tid och åter sända ut en laddning och då riktad mot jorden. Det nu stora utbrottet upptäcktes den 3 januari av Solar and Heliospheric Observatory (SOHO)  , en rymdfarkost i omloppsbana runt jorden som är en gemensamt ägd farkost av NASA och European Space Agency (ESA). SOHO upptäckte en ljus ström av plasma  en koronamassutkastning (CME), från solens sydöstra del enligt Spaceweather.

CME kom sannolikt från en från oss dold flare på andra sidan av solen och registrerades som en C-klasshändelse innebärande den tredje högsta klassen av solfläckar. (Solflareklasser inkluderar A, B, C, M och X, där varje klass är minst 10 gånger kraftfullare än den föregående.)

De mest kraftfulla X-klassfacklorna kan bryta ut från solen med en kraft av cirka en miljard vätebomber, enligt NASA. I ovan fall var det en X-flare men misstänktes först som en möjlig X-flare. Om en X- flares träffar jorden kan det utlösa utbredda radio- och elavbrott på den sida av planeten som vetter mot solen och orsaka skador på satelliter i omloppsbana runt jorden. De resulterande norrskenen skulle vara så starka att de till och med kunde ge närliggande flygpassagerare små doser ohälsosam strålning, enligt NASA.

Forskare från National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) gjorde en datamodellerering av solstormen som om den varit en X-klassflare och fann att den  med nöd och näppe skulle missa jorden, enligt Spaceweather.com. Men det betyder inte att vi kommer att klara oss för X-flares i framtiden. När det senaste blosset utbröt förutspåddes AR3163 (namnet på just denna solfläcks utkast)  ske igen inom två dagar baserat på akustiska bilder, så kallade helioseismiska ekon, ekon som kan upptäcka avvikelser på solens yta. 

Den 5 januari började den närmaste kanten av AR3163 dyka upp vid solhorisonten som förväntat. Den kom då snart att riktas direkt mot jorden och hade kapacitet att spotta ut flera X-klassfacklor, men risken för en direkt träff med jorden bedömdes och bedöms relativt låg. Jorden är dock för närvarande vid perihelium innebärande på sin närmaste punkt till solen.

Solaktiviteten kommer att fortsätta att öka när vi närmar oss toppen av solens 11-åriga solcykel som kommer att inträffa under 2025. Under december 2022 fanns det 24 aktiva solfläckar på solen vilket är det högsta antalet på över sju år, enligt Spaceweather.com 

Bild vikipedia på en närbild på en solfläck från 2006. Solfläckens storlek är ungefär 20 000 km från högerkant till vänsterkant.