Kepler’s zonnevlekkenschetsen lossen 400 jaar later zonnemysteries op

Met behulp van moderne technieken hebben onderzoekers halfvergeten zonnevlektekeningen van Johannes Kepler opnieuw onderzocht en eerder verborgen informatie over de zonnecyclus vóór het grote zonneminimum onthuld.

Door de omstandigheden van de waarnemingen van de grote astronoom te herscheppen en de wet van Spörer toe te passen in het licht van moderne statistieken, heeft een internationale samenwerkingsgroep onder leiding van de Universiteit van Nagoya in Japan de positie van Kepler’s zonnevlekgroep gemeten en deze aan het einde van de zonnecyclus geplaatst vóór de cyclus die Thomas Herriot, Galileo Galilei en andere vroege telescopische waarnemers later zagen.

De bevindingen van de groep, gepubliceerd in de Astrophysical Journal Letters, biedt een sleutel tot het oplossen van de controverse over de duur van zonnecycli aan het begin van de 17^de eeuw, die verband houden met de overgang van regelmatige zonnecycli naar het grote zonneminimum, bekend als het Maunder Minimum (1645 – 1715).

Een groot zonneminimum is een abnormaal lange periode met weinig zonnevlekkenactiviteit. Dit is belangrijk om onderzoekers meer te leren over de zonneactiviteit en de effecten daarvan op de Aarde.

Belangrijke waarnemingen van Kepler

Kepler, bekend om zijn historische prestaties in de astronomie en wiskunde, maakte in het begin van de 17^de eeuw, een van de eerste dateerbare instrumentele verslagen van de zonneactiviteit. Hij deed dit vóór de eerste telescopische zonnevlektekeningen. Hij gebruikte een apparaat dat bekend staat als een camera obscura, bestaande uit een klein gat in een muur om het beeld van de Zon op een vel papier te projecteren, waardoor hij zichtbare kenmerken op de Zon kon schetsen.

In mei 1607 registreerde hij wat hij ten onrechte interpreteerde als een transitie van Mercurius over de Zon, later verduidelijkt als een waarneming van en zonnevlekkengroep. Zonnevlekken zijn gebieden op het oppervlak van de Zon die donkerder lijken vanwege intense magnetische activiteit. Hun voorkomen, frequentie en breedtegraadverdeling verschijnen in cycli die van invloed zijn op de zonnesteling en het ruimteweer.

Hisashi Hayakawa, de hoofdauteur van het artikel, gelooft dat onderzoekers de betekenis van deze bevinding hebben onderschat.

Aangezien dit verslag geen telescopische waarneming was is deze alleen besproken in de context van de geschiedenis van de wetenschap en is hij niet gebruikt voor kwantitatieve analyse voor de zonnecycli in de 17^de eeuw. Maar dit is de oudste zonnevlekkenschets die ooit is gemaakt met een instrumentele waarneming en een projectie.

De onderzoekers realiseerden zich dat deze zonnevlekkentekening hen de locatie van de zonnevlek zou moeten kunnen vertellen en de fase van de zonnecyclus in 1607 zou moeten kunnen aangeven, zolang men erin zou slagen het observatiepunt en de tijd te bepalen  en de kanteling van de heliografische coördinaten te reconstrueren – wat de posities van kenmerken op het oppervlak van de Zon betekent – op dat moment in de tijd.

De 17^de eeuw: een belangrijke periode voor de astronomie

De waarnemingen waren belangrijk om de 17^de eeuw een cruciale periode was in de zonnecyclus, net alleen omdat de waarnemingen van zonnevlekken net begonnen maar ook omdat de zonneactiviteit overging van normale zonnecycli naar het Maunder Minimum, een uniek groot zonneminimum in de waarneemgeschiedenis.

Het is niet helemaal duidelijk hoe het patroon van zonneactiviteit verschoof van regelmatige cycli naar het grote minimum, behalve dat de overgang geleidelijk was. Een van de eerdere op jaarringen gebaseerde reconstructies claimde een reeks bestaande uit een extreem korte zonnecyclus (± 5 jaar) en een extreem lange zonnecyclus van ± 16 jaar, waarbij deze afwijkende duur van de zonnecyclus werd geassocieerd met een voorloper van de overgang van regelmatige cycli naar het grote zonneminimum.

Als dit waar is dan zou dit inderdaad interessant zijn. Een andere op jaarringen gebaseerde reconstructie gaf echter een reeks zonnecycli met normale duur aan dus welke reconstructie is nu betrouwbaar Het is ontzettend belangrijk om deze reconstructies te controleren met onafhankelijke, bij voorkeur observationele, gegevens.

Vier belangrijke verbindingen

Keplers zonnevlekkenregistratie is een belangrijke observationele referentie. Door Keplers waarnemingen te analyseren en ze te vergelijken met gelijktijdige gegevens en moderne statistieken, deden de onderzoekers verschillende belangrijke ontdekkingen:

Ten eerste plaatsten ze Keplers zonnevlekkengroep op een lage heliografische breedtegraad, nadat ze Keplers zonnevlekkentekeningen hadden “gedeprojecteerd” en de positiehoek van de Zon hadden gecompenseerd. Dit suggereert dat de beroemde schematische tekening van de zonnefoto die Kepler in zijn broek diagrammeerde, niet consistent is met Keplers originele tekst en de twee camera obscura-afbeeldingen, die de zonnevlek in het linker bovengedeelte van de zonneschijf laten zien.

Ten tweede, door de wet van Spörer toe te passen en de kennis die ze hebben opgedaan met moderne zonnevlekkenstatistieken, identificeerden ze de zonnevlekkengroep als waarschijnlijk gelegen aan het einde van zonnecyclus -13 in plaats van het begin van zonnecyclus -14.

Ten derde contrasteren hun bevindingen met latere telescopische waarnemingen, die zonnevlekken op hogere breedtegraden laten zien. Dit toont een typische overgang van de voorgaande zonnecyclus naar de volgende, in overeenstemming met de wet van Spörer, aldus de onderzoekers. De Duitse astronoom Spörer beschreed een migratie van zonnevlekken van hogere naar lagere breedtegraden tijdens een zonnecyclus.

Ten vierde stelt deze bevinding de auteurs in staat om de overgang tussen de vorige zonnecyclus (-14) naar de volgende zonnecyclus (-13) tussen 1607 en 1610 te benaderen waardoor de mogelijke data waarop deze plaatsvond, worden beperkt. Op basis hiervan suggereerden Kepler’s gegevens een regelmatige duur van zonnecyclus 13, wat in strijd is met alternatieve reconstructies die een extreem lange cyclus gedurende deze periode voorstellen.

Kepler’s nalatenschap

Kepler’s nalatenschap reikt verder dan zijn waarneemvermogen; het informeert lopende debatten over de overgang van regelmatige zonnecycli naar het Maunder Minimum, een periode van extreem verminderde zonneactiviteit en anomale hemisferische asymmetrie tussen 1645 en 1715, aldus Hayakawa.

“Door Kepler’s bevindingen te plaatsen binnen bredere reconstructies van zonneactiviteit krijgen wetenschappers cruciale context voor het interpreteren van veranderingen in het gedrag van de Zon in deze cruciale periode die een overgang markeert van regelmatige zonnecycli naar het grote zonneminimum.”

“Kepler leverde in de 17^de eeuw veel historische benchmarks in de astronomie en natuurkunde en liet zelfs in het ruimtevaarttijdperk zijn nalatenschap na”, zei Hayakawa.

“Hier voegen we daaraan toe door te laten zien dat Kepler’s zonnevlekkenregistraties de bestaande telescopische zonnevlekkenregistraties van 1610 met meerdere jaren voorafgingen. Zijn schetsen van zonnevlekken dienen als bewijs van zijn wetenschappelijke scherpzinnigheid en doorzettingsvermogen in het licht van technologische beperkingen.”

Artikel: Hisashi Hayakawa et al, Analyses of Johannes Kepler’s Sunspot Drawings in 1607: A Revised Scenario for the Solar Cycles in the Early 17th Century, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad57c9

Eerste publicatie: 27 juli 2024
Bron: University of Nagoya, Japan