[Перевод] Как 400-летние зарисовки солнечных пятен, сделанные Кеплером, помогли разгадать современную загадку
Резкое снижение активности солнечных пятен в XVII веке долгое время озадачивало астрономов.
Группа солнечных пятен, наблюдаемая невооружённым глазом 11 мая 2024 года. Обычно за ~11-летние солнечные циклы наблюдается от 40 000 до 50 000 солнечных пятен.
Группа японских и бельгийских астрономов повторно изучила рисунки солнечных пятен, сделанные астрономом XVII века Иоганном Кеплером, с помощью современных аналитических методов. Благодаря этому они разрешили давнюю загадку о солнечных циклах того периода — так говорится в недавней статье, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal Letters.
Точное определение того, кто впервые наблюдал солнечные пятна, было предметом жарких споров в начале XVII века. Теперь мы знаем, что древние китайские астрономы в период с 364 по 28 год до нашей эры наблюдали эти пятна и включили их в свои официальные записи. Бенедиктинский монах в 807 году думал, что наблюдал прохождение Меркурия перед Солнцем, а на самом деле он наблюдал солнечное пятно; подобные ошибочные интерпретации были распространены и в XII веке. (Английский монах сделал первые известные рисунки солнечных пятен в декабре 1128 года).
Английский астроном Томас Хэрриот сделал первые телескопические наблюдения солнечных пятен в конце 1610 года и записал их в своих тетрадях, как и Галилей примерно в то же время, хотя последний опубликовал научную работу о солнечных пятнах (сопровождаемую зарисовками) только в 1613 году. Галилей также утверждал, что пятна — это не спутники Солнца, как считали некоторые, а скорее облака в атмосфере или на поверхности Солнца. Но он не был первым, кто высказал такую мысль; эта заслуга принадлежит голландскому астроному Иоганну Фабрикусу, который опубликовал свой научный трактат о солнечных пятнах в 1611 году.
Кеплер читал этот трактат и восхищался им, поскольку в 1607 году провёл свои наблюдения солнечных пятен с помощью камеры-обскуры (опубликованные в трактате 1609 года), которые он сначала принял за транзит Меркурия. В 1618 году он опроверг это сообщение, придя к выводу, что на самом деле видел группу солнечных пятен. Кеплер сделал свои солнечные рисунки на основе наблюдений, проведённых как в собственном доме, так и в мастерской придворного механика Юстуса Бурги в Праге. В первом случае он сообщил о «небольшом пятне размером с маленькую муху», во втором — о «небольшом пятне глубокой темноты к центру… по размеру и виду напоминающем тонкую блоху».
Самый ранний из датированных рисунков солнечных пятен, основанный на наблюдениях Кеплера за Солнцем с помощью камеры-обскуры в мае 1607 года.
Давние споры, ставшие предметом этой последней работы, касаются периода с 1645 по 1715 год, в течение которого, несмотря на все усилия астрономов, было зарегистрировано очень мало наблюдений солнечных пятен. Это было уникальное событие в истории астрономии. Несмотря на то что за это время было зафиксировано всего 59 пятен на Солнце — по сравнению с 40 000–50 000 пятен за аналогичный период времени в наше время, — астрономы всё же смогли определить, что пятна на Солнце, по-видимому, появляются в рамках 11-летнего цикла.
Немецкий астроном Густав Шперер отметил резкий спад в работах 1887 и 1889 годов, а его британские коллеги, Эдвард и Энни Маундер, расширили эту работу, изучив, как меняются широты расположения солнечных пятен с течением времени. Этот период стал известен как «Маундеровский минимум». Шперер также придумал «закон Шперера», согласно которому пятна в начале цикла появляются на более высоких широтах в северном полушарии Солнца и по мере прохождения цикла перемещаются на всё более низкие широты в южном полушарии, пока новый цикл солнечных пятен не начнётся в более высоких широтах.
Но как именно солнечный цикл перешёл в Маундеровский минимум, пока неясно. Реконструкции, основанные на кольцах деревьев, дают противоречивые данные. Например, согласно одной из таких реконструкций, постепенному переходу предшествовал либо чрезвычайно короткий солнечный цикл продолжительностью около пяти лет, либо чрезвычайно длинный солнечный цикл продолжительностью около 16 лет. Другая реконструкция древесных колец показала, что солнечный цикл был нормальной продолжительности — 11 лет.
Независимые данные наблюдений могут помочь разрешить это расхождение. Поэтому Хисаси Хаякава из Университета Нагои в Японии и соавторы обратились за дополнительными сведениями к рисункам Кеплера, изображающим солнечные пятна, которые появились раньше существующих телескопических наблюдений на несколько лет.
Количественная оценка Кеплера
«Поскольку эта запись не была телескопическим наблюдением, она обсуждалась только в контексте истории науки и не использовалась для количественного анализа солнечных циклов в XVII веке», — говорит Хаякава. «Но это самый старый рисунок солнечного пятна, когда-либо сделанный с помощью инструментального наблюдения и проекции. Мы поняли, что этот рисунок солнечного пятна сможет определить его местоположение и указать фазу солнечного цикла в 1607 году, если только нам удастся сузить точку и время наблюдения и восстановить наклон гелиографических координат — то есть положение объектов на поверхности Солнца — в тот момент времени».
Основываясь на наблюдениях Кеплера, исследователи предположили, что граница цикла находится между солнечными циклами -14 и -13, как показано красной линией.
Кеплер расположил обе группы солнечных пятен в левом нижнем квадранте своих рисунков. Хаякава и др. «спроецировали» рисунки (которые были показаны вверх ногами, учитывая его наблюдения с помощью камеры-обскуры, и компенсировали угол наклона, сравнив записи Кеплера с современными данными для наглядности. Они обнаружили, что солнечные пятна расположены на более низкой широте. Это означает, что знаменитый схематический рисунок Кеплера, представленный в его книге, противоречит как изображениям камеры-обскуры, так и оригинальному тексту астронома. Авторы предполагают, что чертёжник, создавший иллюстрацию, мог напутать.
Опираясь на закон Шперера, команда определила, что группа солнечных пятен возникла в конце предыдущего солнечного цикла (солнечный цикл-13), а не в начале нового (солнечный цикл-14). Более поздние наблюдения с помощью телескопов во время нового цикла позволили определить, что солнечные пятна находятся в более высоких широтах, что соответствует закону Шперера. Они также смогли сузить время перехода между двумя циклами до периода между 1607 и 1610 годами, что свидетельствует о регулярной продолжительности предыдущего солнечного цикла, а не о чрезвычайно коротком или чрезвычайно длинном.
«Удивительно видеть, как записи исторических личностей, оставленные в наследство, доносят до современных учёных важнейшие научные выводы даже спустя столетия», — говорит соавтор исследования Сабрина Беше (Sabrina Bechet) из Королевской обсерватории Бельгии. «Вряд ли они могли представить, что их записи принесут пользу научному сообществу гораздо позже, уже после их смерти. Нам ещё есть чему поучиться у этих исторических личностей, помимо истории самой науки». В случае с Кеплером мы стоим на плечах гиганта науки».
