Почему Солнце «уснуло» на 70 лет: как случайный набросок Кеплера приблизил понимание самой долгой звездной аномалии

28 мая 1607 года в Праге математик и астроном Иоганн Кеплер проводил наблюдения за Солнцем. В тот день он зафиксировал на солнечном диске небольшое темное пятно. Кеплер был уверен, что наблюдает прохождение планеты Меркурий на фоне звезды, и позже опубликовал об этом детальный отчет.

Спустя несколько лет, благодаря изобретению телескопа и развитию астрономии, стало ясно, что транзитов Меркурия в 1607 году не происходило. Расчеты показали, что ближайшие к этой дате прохождения планеты выпадали на 1605 и 1615 годы. В 1618 году Кеплер официально признал свою неточность, констатировав, что зафиксировал крупное солнечное пятно.

На протяжении столетий этот случай считался исключительно исторической справкой. Однако современная астрофизика столкнулась с нехваткой данных о поведении Солнца в начале XVII века. Оказалось, что подробные описания, оставленные Кеплером во время ошибочного наблюдения, содержат точные математические и физические параметры, необходимые для разрешения большого спора о том, как функционировало магнитное поле нашей звезды перед глобальным климатическим изменением.

Проблема исторической хронологии Солнца

Солнце обладает собственным магнитным циклом, продолжительность которого составляет в среднем 11 лет. Уровень магнитной активности звезды можно визуально отслеживать по количеству солнечных пятен: чем их больше, тем активнее Солнце.

В середине XVII века этот регулярный процесс нарушился. В период с 1645 по 1715 годы солнечные пятна практически полностью исчезли с поверхности звезды. Этот период получил название «минимум Маундера» и совпал с наиболее холодной фазой Малого ледникового периода в Европе. Для современных исследователей понимание механики этого перехода критически важно: физикам необходимо знать, было ли снижение активности резким, или звезда начала менять ритм своих циклов за десятилетия до минимума.

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо восстановить точную хронологию циклов. Современные базы данных солнечной активности опираются на телескопические наблюдения, которые стартовали только в 1610 году благодаря работам Галилео Галилея, Томаса Хэрриота и Кристофа Шейнера. Они задокументировали так называемый «Солнечный цикл -13» (в астрофизике циклы до 1755 года нумеруются со знаком минус).

Информацию о том, что происходило до 1610 года, ученые получают с помощью косвенных методов. Основным инструментом является измерение уровня космогенных изотопов, в частности радиоуглерода (14C), в годовых кольцах старых деревьев. Уровень углерода-14 в атмосфере Земли напрямую зависит от солнечной активности.

Проблема заключается в том, что результаты анализа изотопов дали серьезную погрешность для периода начала XVII века. Научное сообщество разделилось на два лагеря. Исследовательская группа под руководством Харуки Мияхары на основе своих данных заявила, что цикл, предшествовавший телескопической эре (Солнечный цикл -14), был аномально долгим и длился около 16 лет. Другая группа исследователей во главе с Ильей Усоскиным, проанализировав те же данные по-своему, пришла к выводу, что цикл имел стандартную продолжительность около 11 лет.

Разрешить это противоречие могли только прямые астрономические данные. Ими стали черновики и зарисовки Иоганна Кеплера, сделанные за три года до первых телескопических отчетов.

Математическая реконструкция наблюдений

Международная группа исследователей из научных институтов Японии, Великобритании и Бельгии поставила перед собой задачу перевести графические зарисовки Кеплера 1607 года в точные гелиографические координаты. В их распоряжении было два рисунка и подробные текстовые комментарии астронома.

Первое наблюдение Кеплер провел в своем доме на восточном берегу реки Влтавы. Из-за переменной облачности он прервал работу, а затем отправился в пражскую цитадель, в мастерскую придворного механика Йоста Бюрги, где сделал вторую зарисовку. Оба раза Кеплер использовал принцип камеры-обскуры: он затемнял помещение и проделывал крошечное отверстие в преграде (диаметром около 2,5 миллиметров), через которое солнечный свет проецировался на лист бумаги, расположенный на расстоянии более четырех метров.

Для получения научных данных из этих рисунков исследователям потребовалось вычислить точное время наблюдений и ориентацию солнечного диска.

Кеплер не оставил точных временных меток в современном понимании, но подробно описал сопутствующие события. В текстах указано, что второе наблюдение состоялось после того, как он прошел мимо Староместской ратуши. Кеплер зафиксировал, что прошло «21 с третью часа» от предыдущего заката. Используя данные о системе отсчета времени в Богемии начала XVII века, ученые установили, что Кеплер ориентировался на астрономические часы ратуши. Сопоставив это с расчетами времени локального заката в Праге 28 мая 1607 года и упоминаниями о плотных облаках, скрывших Солнце перед самым горизонтом, физики определили время создания второго рисунка: 17:37 по всемирному координированному времени (UT) с допустимой погрешностью.

Следующим шагом стал расчет положения Солнца в небе над Прагой в эту конкретную минуту. Ученые использовали эфемериды Лаборатории реактивного движения NASA — массив данных о траекториях небесных тел. Это позволило вычислить точный наклон оси вращения Солнца и угол солнечного экватора относительно горизонта Праги 400 лет назад.

Наконец, исследователи учли инструментальную специфику камеры-обскуры. Она проецирует изображение перевернутым по вертикали. Однако, поскольку Кеплер стоял лицом к проецируемому изображению на бумаге, картинка не была зеркально отражена по горизонтали. Наложив рассчитанную координатную сетку на откорректированные по ориентации рисунки Кеплера, ученые получили точную широту и долготу зафиксированного пятна.

Физика солнечных широт

Анализ показал, что пятно, обнаруженное Кеплером, располагалось в очень низких широтах — оно находилось вблизи экватора Солнца. Этот физический параметр стал гланым доказательством в споре о продолжительности циклов.

В астрофизике существует строгая закономерность распределения магнитной активности, известная как закон Шперера. Суть закона в том, что солнечные пятна не формируются хаотично. В начале каждого нового 11-летнего цикла пятна возникают исключительно в высоких широтах (далеко от экватора). По мере того как цикл развивается и стареет, зона формирования пятен постепенно смещается к экватору.

Статистика, собранная Королевской обсерваторией Бельгии за период с 1940 по 2023 годы, предоставляет четкие цифры: в первые годы нового цикла на экваторе появляется крайне мало пятен. При этом в последние три года уходящего цикла от 78% до 86% всех солнечных пятен формируются именно в экваториальной зоне.

Поскольку пятно Кеплера находилось около экватора и было достаточно крупным, чтобы его мог подтвердить ассистент невооруженным глазом, оно физически не могло быть признаком зарождения нового цикла. Данные подтверждают: 28 мая 1607 года Иоганн Кеплер задокументировал позднюю стадию, или «хвост», старого Солнечного цикла -14.

Разрешение спора

Этот вывод позволил состыковать разрозненные исторические данные в единую временную шкалу. Записи Кеплера 1607 года демонстрируют конец цикла -14. А первые телескопические наблюдения Томаса Хэрриота в 1610 году уже фиксируют пятна на высоких широтах, что является неопровержимым доказательством начала следующего Солнечного цикла -13.

Следовательно, граница между этими циклами, известная как солнечный минимум, пролегает в узком временном промежутке между маем 1607 года и декабрем 1610 года.

Эта датировка полностью опровергает теорию Харуки Мияхары об аномально долгом 16-летнем периоде. Результаты исследования подтверждают расчеты Ильи Усоскина: продолжительность Солнечного цикла -14 находилась в пределах от 11 до 14 лет, что соответствует нормальным значениям звездного динамо.

Точная фиксация Кеплером времени, места и геометрического положения темной точки, которую он ошибочно принял за планету, позволила современной науке доказать важный физический факт. Перед тем как войти в состояние глубокого подавления магнитной активности в период минимума Маундера, Солнце сохраняло стандартный ритм своей работы, без резких изменений продолжительности циклов. Это сужает поле для поиска причин того, почему звезда перешла в режим многолетней спячки во второй половине XVII века.

Источник: The Astrophysical Journal Letters