4. Oszcillációk Első észlelések

Átírás

1 4. Oszcillációk Első észlelések A Nap felszíni oszcillációinak vizsgálata 1960-ban indult Leighton észleléseivel, aki egy szellemes spektrohelioszkópos eljárást követett. Az ionizált bárium 4554 Angström hullámhosszúságú vonalának vörös és kék szárnyára hangolta a műszert, így a napfelület minden pontját aszerint észlelte az átlagosnál fényesebbnek, vagy halványabbnak, hogy milyen látóirányú mozgás történt, tehát melyik irányba tolódott el a vonal. A két szárnyban a fényesedés-halványodás természetesen ellentétes volt, a két képet egymásból kivonva megkapta a látóirányú mozgások térképét. Ő figyelt fel arra, hogy ez a mintázat kb 5 perces periódussal fluktuál. A vizsgálatot az évek során egy sor hasonló követte. Többek között például vizsgálták egyes spektrumvonalak időbeli viselkedését, illetve a granulációs mintázat felvételsorozatának keresztkorrelációját, ez utóbbira azt gondolnánk, hogy aszimptotikusan lecseng, de erre a lecsengésre ráül egy kb 5 perces fluktuáció, és így tovább. Az oszcilláció frekvenciája kb 5 perces volt, de helyesebb azt mondani, hogy a 3-8 perces tartományba esett. Ez csak a nyugodt fotoszférára vonatkozik, a kromoszférában, H-alfa vonalban, valamint napfoltokban ennél rövidebb periódusokat mértek. Ennek ellenére a jelenséget mindenki úgy hívta, hogy az ötperces oszcillációk és senki nem értette. Ha egy nagy felület kisebb darabjai periodikus fel-le mozgást végeznek, akkor ez legegyszerűbb esetben (a hullámzó vízfelület analógiájára) egy teljesen kaotikus folyamat lehet, ahol az egyes felle mozgó felületdarabok fizikailag nincsenek egymással kapcsolatban. A Nap esetében az áttörést Roger Ulrich (1970) munkája jelentette, melyben felvetette azt, hogy e felületdarabok fel-le mozgása fizikailag kapcsolatban lehet azáltal, hogy a lefelé mozgás által kiváltott nyomáshullámok bizonyos értelemben összehangolják őket. A folyamatot a következőképpen lehet elképzelni ábra. Nyomáshullámok trajektóriái a Nap belsejében Tekintsük a sematikus 4.1. ábrát, ahol a Nap metszetében azt szemléltetjük, hogy mi történik egy felületdarab lefelé mozgásakor. Az összenyomás hatására nyomáshullám keletkezik, mely terjedéséhez befelé haladva változó feltételeket talál. Képzeljük el a gömhullám egyes trajektóriáit, ezek befelé haladva növekvő sűrűséget találnak, ami növekvő hangsebességet jelent, és ez az optikai törés mintájára minden egyes trajektóriát eltérít, mégpedig úgy, hogy a radiális iránnyal egyre növekvő szöget fog bezárni, egy adott mélységben arra merőleges lesz, majd visszafordul és valahol kibukkan a felszínre. Ha itt olyan felületdarabot talál, mely éppen megfelelő fázisban mozog ahhoz, hogy mozgásuk összeadódjon, akkor e felületdarab mozgását segíti, egyébként energiája disszipálódik. Könnyen belátható, hogy erősítés akkor lép fel, ha a trajektória futási ideje a fel-le mozgás periódusának n+1/2 számú többszöröse. Ilyen módon egy adott sűrűségi rétegződéshez a felszíni tér- és időbeli periódusok adott struktúrája tartozik. A Nap-oszcillációk kutatásának másik úttörője Franz Ludwig Deubner volt, aki a felvetést követően 1975-ben megvizsgálta annak jogosságát. A napfelszín egy kisebb darabját scannelte a Franuhofer intézet Anacapri-beli távcsövével (ez ma már nem üzemel), és a hozzá kapcsolt magnetográf segítségével tudta követni a felületdarab különböző pontjainak látóirányú mozgását és ezek térbeli korrelációit. Mérésének eredményét a 4.2. ábra mutatja. A vízszintes tengelyen a térbeli

2 mintázatot leíró hullámszám (k), a függőlegesen pedig az időbeli körfrekvencia (ω) látható. Az ábrán egy görbesereg rajzolódik ki, melyre rárajzolták azt is, hogy az Urlich felvetése nyomán kiszámolt tér- és időbeli periódusok az elméletileg ismert sűrűségrétegődés esetén hogyan függenek össze egymással. E görbéket angolul ridge-knek, barázdáknak nevezik és az összetartozó k-ω értékeket jelölik. Ezen korai próbálkozás ilyen sikere egész elképesztő. A mintázat léte azt igazolja, hogy a felületdarabok oszcillációi koherens sokaságot alkotnak, tehát nem úgy hullámzanak, mint a vízfelület, hanem a 4.1.ábra által bemutatott módon. Az eredmény hatalmas új távlatokat, szinte új tudományágat nyitott a napbelső tanulmányozásában.. Az oszcillációk spektruma 4.2. ábra F.L.Deubner k-ω diagramja Periodikus jelenségek tanulmányozásához különböző matematikai eszközök állnak rendelkezésre. A legegyszerűbb esetben egyetlen paraméter mutat periodikus változást, ezt pl autokorrelációs elemzéssel, vagy Fourier analízissel lehet feltárni. A cél általában annak eldöntése, hogy egy adott adatsorban milyen periódusok és milyen súllyal (angol szóhasználatban power-rel) vannak jelen, ezt fejezi ki a power spectrum vagy teljesítményspektrum fogalma. Egy egyszerű példaként említhető egy hangszer felhangspektrumának vizsgálata: az, hogy egyes frekvenciák milyen erősen vannak jelen, meghatározza a hangszer hangszínét. Ha fel akarunk tárni valamilyen periodicitást, akkor az adatsornak teljesíteni kell bizonyos kritériumokat, egyrészt a keresett periódus nyilván csak rövidebb lehet, mint a teljes adatsor, másrészt csak hosszabb lehet, mint az adatok vételének gyakorisága, vagyis a mérés felbontása, ez utóbbi határt nevezik Nyquistfrekvenciának. A napfelület rezgéseinek tárgyalása sokkal összetettebb, mint a hangszerek akusztikai leírása, hiszen a felszíni összetartozó térbeli és időbeli periódusokat kell feltárni (leginkább az ütőhangszerek membránjának viselkedése hasonlít a mi esetünkhöz). A 4.2. ábra mérésénél még közelítőleg síknak lehetett tekinteni a napfelület kicsiny darabját, de a teljes gömbfelület eloszlásainak leírása már csak az ún. gömharmonikus függvényekkel, a Legendre függvények alkalmazásával történhet. A Fourier-analízistől eltérően a sebességteret szinuszos rezgések összege helyett az alábbi sorfejtéssel írhatjuk le. v θ, ϕ,t = l l=0 m= l a lm t Y l m θ,ϕ (4.1)

3 a sebesség tehát függvénye a t időnek és a θ és ϕ polárkoordinátáknak. A sorfejtés függvényei a következő alakúak: Y l m θ,ϕ =P l m θ e imϕ (4.2) m ahol a P l az ún. asszociált Legendre függvények sorozata. Ennek tagjai meglehetősen bonyolultak, összetettek, de jelentésük igen szemléletes. Tekintsük a 4.3. ábrát, melyen e függvények néhány l,m paraméterkettőssel jellemzett esetének térbeli megjelenítése látható. A rajzolatokat úgy kell elképzelni, hogy a gömbfelület egy lehetséges rezgési módját - más néven módusát - képviselik, a vonalak csomóvonalakat jelentenek, melyek nem oszcillálnak, a vonalak közötti tartományok közepe pedig maximális kitérést végez. A paraméterek jelentése: l mutatja a gömbfelületen található összes csomóvonal számát, m pedig azon csomóvonalak számát, melyek áthaladnak a forgástengely pólusain, az l-et más néven a módus rendjének is nevezzük (ez helyettesíti a fenti sík, kétdimenziós eset k hullámszámát), az m neve pedig azimutális hullámszám ábra A gömharmonikus függvényekkel leírt csomóvonalak a gömfelületen. Figyeljük meg az l és m paraméterek jelentését. A napfelület pontjainak első ránézésre kiismerhetetlenül bonyolult oszcillációi úgy írhatók le, hogy a fenti függvényekkel leírt módusok mindegyike részt vesz benne valamilyen frekvenciával - ezt hívjuk a módus sajátfrekvenciájának - illetve erősséggel (power). A mondottak alapján az észlelési feladatot úgy lehet megfogalmazni, hogy mindegyik módusnak keressük a sajátfrekvenciáját és azt, hogy milyen intenzitással oszcillál. A power megállapítása matematikailag úgy történik, hogy a (4.1.) sorfejtés időtől függő együtthatóinak képezzük az a l ν (frekvenciafüggő) Fourier-transzformáltját, és ebből képezzük az alábbi kifejezést (itt megfelelő szimólum híján -val jelöltük a komplex konjugáltat). P l,ν = a l ν a l ν (4.3) Észlelési programok A fentiek alapján látható, hogy részletes teljesítményspektrumot csak nagy felbontással valamint térben és időben kiterjedt méréssorozattal lehet elérni, ami azt jelenti, hogy a teljes napfelület (t.i. a látható félgömb) pontjainak fel-le mozgását kell minél hosszabb ideig regisztrálni. Az első mérések még mindkét szempontból korlátozottak voltak, ezért a 4.2. ábrán még meglehetős zajjal jelentkeznek a jellegzetes barázdák. A földi telepítésű műszerek esetében azonban további probléma is jelentkezett: a nappalok és éjszakák váltakozása miatti hamis jelek (és azok felharmonikusai) a frekvenciaspektrumban. Az első kísérlet, mely ezt kiküszöbölte, egy déli sarki kutatóállomáson valósult meg a déli félteke nyarán, ekkor a Nap nem nyugszik le, hanem körbemegy az égbolton, és folyamatosan lehet észlelni. Ez a mérés látványosan megerősítette a korábbiakat, nyilvánvaló azonban, hogy igazán hosszú észlelések így sem gyűjthetők, hiszen a sarkvidéki nyár elég rövid. A problémára két megoldás született, a GONG és az MDI, melyek párhuzamosan valósultak meg, egymástól függetlenül mérnek, és ez igen megbízhatóvá teszi eredményeiket.

4 GONG (Global Oscillation Network Group) A kísérlet nevében a Global nemcsak a Napra, hanem a Földre is vonatkozik, mivel egy hat állomásból álló obszervatórium-hálózatot jelent. Az obszervatóriumok helyének kiválasztása igen gondos előkészítés után történt meg, hiszen maximalizálni kellett a napsütéses órák számát. A műszerek földrajzi szélességben kb 60 fokonként helyezkednek el, tehát teljes napsütés esetén három műszer is látja a Napot. Az asztroklimatológia Murphy-törvénye miatt azonban így is előfordulhatnak kieső időszakok. Az állomások: Mauna Loa (Hawaii), Big Bear (Kalifornia), Cerro Tololo (Chile), Teide (Tenerife, Kanári szigetek), Udaipur (India), Learmonth (Ausztrália). A hat tökéletesen azonos műszeregyüttest egyszerre gyártották le és telepítették a hat helyen. Az észlelőműszernek az a feladata, hogy az elérhető legnagyobb gyakorisággal (időbeli Nyquistfrekvencia) egyszerre regisztrálja a látható félgömb felületdarabjait minél nagyobb térbeli felbontással (térbeli Nyquist-frekvencia). Ezt a feladatot a hangolható Michelson-interferométerrel oldották meg. A műszer működéséhez idézzük fel a Lyot-szűrőnél mondottakat. Ott arról volt szó, hogy a kettőstörő kristályba olyan poláros fényt engedünk, melynek síkja 45 -os szöget zár be az (egymásra merőleges) ordinárius és extraordinárius tengelyjel, ezért a két irányra vett komponenseinek különböző terjedési sebességei miatt a kristály mentén a polarizáció síkja körbefordul és adott hullámhossz esetén a kristály hosszának megválasztásával lehet elérni, hogy a kilépő sík milyen irányú. A hangolható Michelson-interferométernél (4.4. ábra) ennek a trükknek a módosított változatát alkalmazzák. A műszer két, különböző (l 1 és l 2 ) hosszúságú karjában két különböző törésmutatójú közeg van, az egyikben üveg, a másikban levegő, úgy hogy teljesüljön az l 1 /n 1 =l 2 /n 2 feltétel, és ekkor a két kar optikai úthosszkülönbsége: Δ=2 n 1 d 1 n 2 d 2 =2 n n 2 d n 1 1 (a kettes faktor amiatt lép fel, mert a sugár oda-vissza megteszi az utakat), a két kart befutó sugarak fáziskülönbsége pedig a kilépéskor: δ= 2πΔ λ (4.4) 4.4. ábra A hangolható Michelson-interferométer sematikus rajza Ez azt jelenti, hogy a fáziskülönbség hullámhosszfüggő, akárcsak a Lyot-szűrőnél, tehát a továbbiakban is igen hasonló stratégiát lehet alkalmazni. A Napról érkező sugarakat egy igen kis - 8 cm objektívátmérőjű - távcsővel az ábra közepén lévő blokkba vezetjük, itt az interferencia- és Lyot-szűrők kiválasztanak egy szűk tartományt a 6768 Angström hullámhosszúságú nikkelvonal körül, továbbá átmennek a polarizátorokon, melyek síkja az ábra síkjával 45 -os szöget zár be. Ez a sugár esik a Michelson-interferométerre. Ennek fényosztó felülete speciális többrétegű bevonattal van ellátva, melynek az a funkciója, hogy a beesési síkkal párhuzamos illetve arra merőleges

5 polarizációs síkokat átengedje illetve visszaverje, ilymódon a két ágban ortogonális polarizációjú sugarak haladnak. A kilépéskor fellépő (4.4. fáziskülönbség) tehát a Lyot-szűrőhöz hasonlóan a polarizációs síknak a hullámhosszal arányos elfordulását eredményezi. A detektor (CCD) előtt elforgatott polarizátorral tehát egy szűk hullámhossztartományt szkennelünk, és minden képpontban meg tudjuk mondani azt, hogy adott hullámhosszakon (a forgó polarizátor adott állásainál) mennyit változott az intenzitás, vagyis, hogy mennyit tolódott el látóirányban a nikkelvonal. A módszer hatalmas előnye, hogy az egész napkép összes felbontható pontjának látóirányú sebessége egyszerre állapítható meg. A spektrális tisztaságot két egymás után helyezett Michelson-interferométerrel tovább is lehet növelni. A hat GONG műszer szinkronban működik, adataik egy központba futnak be, a gyűjtött adatmennyiség terabyte nagyságrendű ábra a. A GONG egy napos mérése alapján az l=100 módusokra kapott power spectrum, b. az MDI 144 napos méréssorozata alapján nyert l-ν diagram. SOHO/MDI A SOHO napfizikai űrszonda MDI (Michelson Doppler Interferometer) nevű műszere természetesen nincs kitéve a nappalok-éjszakák váltakozásának. A két program közül ezért ez tűnhet előnyösebbnek, hiszen a GONG-gal is előfordul, hogy kimaradnak időszakok mivel egyszerre több állomáson is rossz idő van. A GONG haszna akkor mutatkozott meg, amikor a SOHO mesterséges hold hónapokra eltűnt az irányítók szeme elől, ami nagy veszteség volt, bár szerencsére sikerült újra megtalálni. A 4.5.b. ábra az MDI 144-napos méréssorozatának eredményét mutatja egy l-ν diagramon. Látható a jelentős előrelépés a 4.2. ábrához képest tér-és időbeli felbontásban egyaránt. Alacsony rendszámú módusok Több észlelési program is célozza az alacsony rendszámú módusokat, a SOHO műszeregyüttesben két ilyen kísérlet is található. A VIRGO (Variabillity of soral IRradiance and Gravity Oscillations) program elsősorban a Nap irradianciájának - a szoláris energiaáram földtávolságban vett sűrűségének - mérésére szolgál, de LOI (Luminosity Oscillation Imager) nevű egysége a napkorongot tíz tartományra osztva kis térbeli felbontású, tehát alacsony rendszámú észlelésekre is képes. A SOHO/GOLF (Global Oscillations at Low Frequencies) egyáltalán nem bontja fel a napképet, a teljes napkorongról érkező fényt egyszerre méri, ezért csak olyan alacsony rendszámú módusok vizsgálatára alkalmas, melyeknél a látható napkorongon egyetlen összefüggő felületdarab mozgása érvényesül. A magasabb rendszámú módusok esetén a műszerhez képes közeledő és

6 távolodó felületdarabok hatásai kioltják egymást és ilyen integráló mérés számára észlelhetetlenek. A 4.6. ábrán a GOLF által készített spektrum látható ábra A GOLF által készített spektrum Helioszeizmológia Az említett programok (és egy sor, itt nem is említett program) teljesen új betekintést enged a Nap belsejébe. Ha egy rendszert belső működését elméletileg le tudjuk írni, és ennek alapján meg tudjuk jósolni azt, hogy e működés milyen külső ismérveket idéz elő, akkor e külső ismérvek észlelése alapján vissza tudunk következtetni arra, hogy a belső működésnek mik a pontos paraméterei. Ezt nevezik inverz problémának és a hélioszeizmológia éppen ilyen inverz problémamegoldást követ. Amint a bevezetőben említettük, a felszíni hullámmintázatot meghatározza a nyomásrétegződés, ezért az első számú inverz feladat a Nap nyomásstruktúrájának meghatározása. Erre mutat egy példát a 4.7. ábra, ahol a hangsebesség (mely a sűrűség függvénye) eloszlását mutatja a mélység függvényében. Az adatok 2 havi MDI méréssorozat eredményei, a vízszintes tengely a centrumtól a napfelszínig mutatja a mélységet. látható, hogy kb 0,7 napsugárnál egy kiugró csúcs van, ami azt mutatja, hogy az a mélység, ahol elméletileg a konvektív zóna alját sejtjük, valóban kitüntettet hely ábra A hangsebesség értéke különböző mélységekben