Благодаря использованию японского суперкомпьютера под названием Фугаку, размещенного в Центре вычислительных наук Института физико-химических исследований, расположенном в городе Кобе (Япония), астрофизикам впервые представилась возможность с высокой точностью смоделировать воссоздать процессы тепловой конвекции и взаимодействие магнитного поля внутри Солнца, что позволило воспроизвести его дифференциальное вращение. Этот прорыв является значительным продвижением на пути к пониманию одной из главных загадок нашей звезды – 11-летнего цикла солнечной активности. О результатах исследования сообщается в журнале Nature Astronomy.
«В отличие от Земли, Солнце демонстрирует различные скорости вращения в зависимости от широты, явление известное как «дифференциальное вращение». Этот феномен был зафиксирован еще в 1630 году, и на сегодняшний день установлено, что экваториальная область Солнца совершает оборот примерно за 25 земных суток, а полярные регионы – приблизительно за 30 земных суток. Считается, что данная особенность оказывает существенное влияние на формирование солнечных пятен и организацию циклов активности», – поясняет Хидэюки Хотта, ведущий автор работы из Университета Тиба (Япония).
В современной научной картине мира энергия, высвобождаемая в результате ядерного синтеза в ядре Солнца, передается к его поверхности посредством излучения через так называемую «зону лучистого переноса», которая охватывает примерно 70 процентов радиуса звезды. Внешний же регион – «конвективная зона» – характеризуется транспортировкой энергии посредством тепловой конвекции. По мнению исследователей, именно этот турбулентный процесс является причиной возникновения и поддержания дифференциального вращения.
Тем не менее, ранее разработанные математические модели демонстрировали ситуацию, противоположную действительности: быстрый полюс и медленный экватор. Исследователям не поддавалось воспроизведение дифференциального вращения Солнца даже в высокоразрешающих симуляциях, например, на японском суперкомпьютере K-computer, где использовались 100 миллионов точек данных, поскольку вычислительные мощности были недостаточны для точного расчета турбулентной тепловой конвекции. Данная трудность получила наименование «конвективная головоломка», которая долгое время оставалась нерешенной задачей в физике Солнца.
«В процессе решения конвективной головоломки мы провели моделирование высокотурбулентных слоев Солнца в конвективной зоне с беспрецедентным разрешением, которое стало возможным благодаря суперкомпьютеру Fugaku. В рамках симуляции было задействовано 5,4 миллиарда точек данных, и это позволило нам воспроизвести дифференциальное вращение с быстрым экватором и медленными полюсами без применения каких-либо дополнительных корректировок», – заявил Хидэюки Хотта.
Согласно предыдущим расчетам, предполагалось, что в конвективной зоне магнитная энергия ниже турбулентной и играет незначительную роль. Однако теперь представление о внутреннем строении нашей звезды претерпело изменения: модель выявила мощные магнитные поля, чья энергия более чем в два раза превышает энергию турбулентности. Помимо этого, ученые установили, что магнитное поле оказывает существенное влияние на формирование и поддержание дифференциального вращения Солнца.
«Мы не предполагали, что сможем разрешить многолетнюю проблему столь оперативно, и были поражены полученным результатом. Теперь мы готовы взяться за разгадку тайны 11-летнего солнечного цикла», – подытожил Хидэюки Хотта.
