Onze Zon volgt het ritme van de planeten

Opname van de Zon gemaakt door het Solar Dynamics Observatory
Een paar actieve gebieden op de Zon, waargenomen door het Solar Dynamics Observatory in een golflengte van extreem ultraviolet licht. De bogen boven de gebieden bestaan uit geladen deeltjes die meedraaien en de magnetische veldlijnen onthullen. Afbeelding: NASA / GSFC / Solar Dynamics Observatory

Een van de grootste vragen waar astronomen die de Zon mee zitten is waarom de Zon een regelmatige 11-jarige cyclus volgt. Onderzoekers van het Duitse Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) schrijven in een onlangs gepubliceerd artikel dat de getijdenwerkingen van Venus, de Aarde en Jupiter het magneetveld van de Zon beïnvloeden en daarmee de cyclus van de Zon bepalen. Het onderzoek is in het tijdschrift Solar Physics gepubliceerd.

In principe is het niet ongebruikelijk dat het magneetveld van een ster zoals de Zon een regelmatige cyclus doorstaat. Maar de beschikbare modellen hebben de regrelmatige cyclus van de Zon nooit goed kunnen verklaren. Het HZDR-team heeft nu aangetoond dat de getijdenwerkingen die planeten uitoefenen op de Zon als een klok fungeren en dat deze krachten de bepalende factor zijn achter het stabiele ritme van de Zon. De onderzoekers hebben systematisch historische waarnemingen van de activiteit van de Zon vergeleken met de standen van de planeten. Hiermee werd statistisch aangetoond dat er een verband is tussen deze twee fenomenen.

Volgens de onderzoekers is er een verbluffende overeenkomst. Ze hebben 90 cycli van de Zon vergeleken en die kwamen precies overeen met de standen van de planeten. Net zoals de aantrekkingskracht van de Maan verantwoordelijk is voor de getijden op Aarde kunnen de planeten het hete plasma op de Zon verplaatsen. Deze getijdewerkingen zijn het sterkst als venus, Aarde en Jupiter perfect op een lijn staan. Die uitlijning is iedere 11,07 jaar optimaal. Maar dat effect is veel te zwak om de stromingen in het binnenste van de Zon te verstoren en daarom werd dit tijdelijke toeval lange tijd genegeerd.

Echter de onderzoekers van het HZDR worden bewijs van een mogelijk indirect mechanisme dat mogelijk in staat is om met behulp van getijdenwerkingen het magneetveld van de Zon te beïnvloeden. Het gaat om fluctuaties in de zogenaamde Tayler instabiliteiten. Dit is een natuurkundig effect dat, uitgaande van een bepaalde stroom, het gedrag van een geleidelijke vloeistof of plasma kan veranderen. Voortbordurend op dit concept werd in 2016 het eerste model ontwikkeld. Dit model is verbeterd en gebruikt in de onlangs gepubliceerde studie.

In het hete plasma van de zon verstoort de Tayler-instabiliteit de flux en het magnetisch veld, en reageert ze zeer gevoelig op kleine krachten. Een kleine krachtstoot volstaat om de verstoringen te laten oscilleren tussen rechtshandige en linkshandige heliciteit (de projectie van de spin op de richting van het moment). Het benodigde momentum hiervoor kan elke elf jaar worden opgewekt door planetaire getijdenkrachten – uiteindelijk ook het ritme instellen waarbij het magnetisch veld de polariteit van de zon omkeert.

“Toen ik voor het eerst las over ideeën die de zonnedynamo met planeten verbinden, was ik erg sceptisch”, herinnert Stefani, hoofdauteur van het artikel, zich. “Maar toen we de stroomgestuurde Tayler-instabiliteit ontdekten die spiraalvormige oscillaties onderging in onze computersimulaties, vroeg ik me af: wat zou er gebeuren als het plasma werd beïnvloed door een kleine, getijde-achtige verstoring? Het resultaat was fenomenaal. De oscillatie was echt opgewonden en werd gesynchroniseerd met de timing van de externe verstoring. ”

In het standaardscenario van een dynamo creëren de rotatie van de Zon en de complexe beweging van het zonneplasma een cyclisch veranderend magnetisch veld. Hier werken twee effecten op: het plasma roteert sneller aan de evenaar van de Zon dan aan de polen. Dit leidt tot het omega-effect: de in het plasma bevroren magneetveldlijnen strekken zich uit rond de Zon en zetten het magnetische veld om in een veld dat bijna evenwijdig aan de evenaar van de Zon is uitgelijnd. Het alpha-effect beschrijft een mechanisme dat magnetische veldlijnen verdraait, waardoor het magnetische veld in een noord-zuid richting wordt gedwongen.

Wat precies het alpha-effect veroorzaakt, is echter een onderwerp van discussie. Het model van Stefani geeft aan dat de Tayler-instabiliteit hier deels verantwoordelijk voor is. De onderzoekers beschouwen het meest plausibele scenario als een scenario waarbij een klassieke zonnedynamo wordt gecombineerd met de modulaties die door de planeten worden opgewekt. “Dan zou de Zon een heel gewone, oudere ster zijn waarvan de dynamocyclus echter wordt gesynchroniseerd door de getijden”, vatte Stefani samen. “Het mooie van ons nieuwe model is dat we nu gemakkelijk effecten kunnen verklaren die voorheen moeilijk te modelleren waren, zoals” valse “heliciteiten, zoals waargenomen bij zonnevlekken, of de bekende dubbele piek in de activiteitscurve van de Zon”.

Naast het beïnvloeden van de 11-jarige cyclus, kunnen planetaire getijdenkrachten ook andere effecten hebben op de Zon. Het is bijvoorbeeld ook denkbaar dat ze de stratificatie van het plasma in het overgangsgebied tussen de inwendige stralingszone en de buitenste convectiezone van de zon (de tachocline) zodanig veranderen dat de magnetische flux gemakkelijker kan worden uitgevoerd. Onder die omstandigheden zou de omvang van de activiteitencycli ook kunnen worden gewijzigd, zoals eens het geval was met het Maunder minimum, toen er een sterke daling was in de zonneactiviteit voor een langere fase.

Op de lange termijn zou een nauwkeuriger model van de zonnedynamo wetenschappers helpen om klimaatrelevante processen zoals ruimteweer effectiever te kwantificeren en misschien zelfs om klimaatvoorspellingen op een dag te verbeteren. De nieuwe modelberekeningen betekenen ook dat, naast getijdenkrachten, potentieel andere, tot nu toe verwaarloosde mechanismen zouden moeten worden geïntegreerd in de zonnedynamo-theorie, mechanismen met zwakke krachten die desalniettemin – zoals onderzoekers nu weten – een grote impact hebben. Om deze fundamentele vraag ook in het laboratorium te kunnen onderzoeken, zijn de onderzoekers momenteel bezig met het opzetten van een nieuw vloeibaar-metaal-experiment bij HZDR.

Bron: hzdr.de

 

Eerste publicatie: 31 mei 2019