Раскрыта тайна дифференциального вращения Солнца

Используя японский суперкомпьютер Фугаку, расположенный в Центре вычислительных наук Института физико-химических исследований (Кобе, Япония), астрофизикам впервые удалось точно смоделировать тепловую конвекцию и магнитное поле в недрах Солнца, которые в результате воспроизвели его дифференциальное вращение. Достигнутый успех является важным шагом к разгадке самой большой тайны нашей звезды – 11-летнего цикла. Результаты исследования представлены в журнале Nature Astronomy.

«В отличие от Земли, Солнце обладает различными периодами вращения в разных широтах, то есть «дифференциальным вращением». Этот факт известен 1630 года и сегодня мы знаем, что солнечный экватор вращается с периодом 25 земных суток, а полярные области – 30 земных суток. Считается, что это свойство играет важную роль в образовании солнечных пятен и организации циклов солнечной активности», – рассказывает Хидэюки Хотта, ведущий автор исследования из Университета Тиба (Япония).

Согласно текущим представлениям, энергия, генерируемая ядерным синтезом в солнечном ядре, переносится к поверхности излучением в так называемой «зоне лучистого переноса», которая простирается до примерно 70 процентов радиуса Солнца. Затем, во внешнем регионе – «конвективной зоне», – энергия транспортируется уже тепловой конвекцией. По мнению ученых, именно это турбулентное движение приводит к созданию и поддержанию дифференциального вращения.

Однако предыдущие численные модели воссоздавали картину, обратную реальной – быстрый полюс и медленный экватор. Ученым не удавалось достигать дифференциального вращения Солнца даже в симуляциях с высоким разрешением, в частности, на японском суперкомпьютере K-computer с использованием 100 миллионов точек, так как им не хватало производительности, чтобы точно рассчитать турбулентную тепловую конвекцию. Эта проблема получила обозначение «конвективная головоломка», которая оставалась давней загадкой в физике Солнца.

«В попытках решить конвективную головоломку мы провели моделирование высокотурбулентных недр Солнца в конвективной зоне с беспрецедентно высоким разрешением, достижимым только на суперкомпьютере Фугаку. В симуляции использовались 5,4 миллиарда точек, и, в результате, нам удалось воспроизвести дифференциальное вращение с быстрым экватором и медленными полюсами без каких-либо дополнительных манипуляций», – отметил Хидэюки Хотта.

На основе предыдущих расчетов предполагалось, что в зоне конвекции магнитная энергия меньше турбулентной и играет второстепенную роль. Однако теперь взгляд на недра нашей звезды изменился – модель показала сильные магнитные поля, энергия которых более чем в два раза превышает энергию турбулентности. Кроме этого, ученые выяснили, что магнитное поле играет важную роль в создании и поддержании дифференциального вращения Солнца.

«Мы не ожидали, что сможем решить многолетнюю проблему так быстро, и были удивлены результатом. Теперь мы готовы бросить вызов загадке 11-летнего цикла», – заключил Хидэюки Хотта.