Знайдено новий інструмент дослідження Сонця

Глибоко всередині річних кілець дерев прихований унікальний архів інформації про минуле нашої планети та її космічного сусіда — Сонця. Використовуючи цей природний літопис, міжнародна команда дослідників змогла зазирнути в історію сонячної активності на понад два тисячоліття назад, проливаючи світло на поведінку нашої зірки в часи, коли прямі спостереження були неможливими. Аналізуючи рівні радіоактивного ізотопу вуглецю-14 (радіовуглецю), що тисячоліттями накопичувався у деревині, вчені з Лабораторії досліджень річних кілець дерев Університету Аризони (США) та Федеральної вищої технічної школи Цюриха (ETH Zurich, Швейцарія) створили найдетальніший на сьогодні запис сонячної активності протягом першого тисячоліття до нашої ери, охоплюючи період з 1000 р. до н.е. до 2 р. до н.е.

Результати цього масштабного дослідження, опубліковані в авторитетному науковому журналі Nature Communications, мають значний потенціал. Вони не лише допомагають науковцям краще зрозуміти довгостроковий вплив Сонця та його мінливість протягом тисячоліть, але й надають нові можливості для уточнення хронології історичних подій та вдосконалення методів прогнозування майбутніх сонячних спалахів та «магнітних бур», які становлять реальну загрозу для сучасних технологій — від супутників до енергосистем.

«Наші висновки є захоплюючими, оскільки вони дають нам неймовірно детальний погляд на те, як поводилося Сонце понад два тисячоліття тому», — зазначає Ніколас Брем, провідний автор дослідження, колишній постдокторант, а нині асоційований співробітник Лабораторії досліджень річних кілець дерев Університету Аризони.

Сонце — це не просто статична куля розпеченого газу. Це динамічний об'єкт, що складається з електрично зарядженої плазми, яка генерує потужне магнітне поле. Це поле простягається далеко в космос і створює своєрідний щит — геліосферу, яка захищає Землю та інші планети від високоенергетичних космічних променів, що надходять з глибин Галактики. Сила цього магнітного щита не є постійною; вона коливається, досягаючи піку, а потім спадаючи в межах приблизно 11-річного циклу, відомого як цикл сонячної активності. Коли високоенергетичні космічні промені все ж досягають земної атмосфери, вони взаємодіють з молекулами азоту. Під час цих зіткнень протони вибиваються з атомних ядер азоту, перетворюючи його на вуглець-14 (¹⁴C) — природний радіоактивний ізотоп вуглецю. У періоди високої сонячної активності, коли магнітне поле Сонця сильніше, воно краще відхиляє космічні промені, і, як наслідок, утворюється менше вуглецю-14. Навпаки, під час мінімумів сонячної активності захист слабшає, і продукція ¹⁴C зростає. Однак існують і винятки: під час сонячних спалахів — інтенсивних викидів енергії та частинок — високоенергетичні сонячні протони можуть прорватися крізь магнітний щит Землі й також спричинити різке, короткочасне збільшення концентрації вуглецю-14 в атмосфері.

«Коли дерева поглинають вуглекислий газ з атмосфери під час фотосинтезу, вони засвоюють певну частку вуглецю-14 разом із набагато поширенішими стабільними ізотопами — вуглецем-12 та вуглецем-13», — пояснює Шарлотта Пірсон, доцентка та дослідниця Лабораторії досліджень річних кілець дерев, співавторка дослідження. «Цей вуглець-14 потім фіксується в деревині, утворюючи річне кільце, і залишається там. Коли наступного року починається вегетаційний період, процес повторюється, формуючи наступне кільце».

Оскільки ріст дерев відбувається за чітким річним циклом, дендрохронологи (вчені, що вивчають річні кільця) можуть точно датувати кожне кільце. Аналізуючи вміст радіовуглецю в кожному окремому, точно датованому кільці, дослідники отримують унікальну можливість реконструювати зміни сонячної активності рік за роком у далекому минулому. Розуміння сонячних бур, що відбувалися в глибокій історії Землі, є особливо важливим, оскільки точні причини та механізми виникнення надзвичайно потужних сонячних спалахів досі залишаються не до кінця зрозумілими. Проте дані за періоди між екстремальними сонячними подіями також надають безцінну інформацію про поведінку Сонця, особливо коли йдеться про стабільні процеси, такі як 11-річний цикл.

Спостереження за 11-річним сонячним циклом протягом першого тисячоліття до н.е. є особливо цікавим, оскільки цей період частково збігається з так званим «Гальштатським плато» або «радіовуглецевою катастрофою». Це приблизно 800-річний інтервал (орієнтовно 800−400 рр. до н.е.), протягом якого концентрація ¹⁴C в атмосфері змінювалася дуже незначно. Через цю стабільність традиційний метод радіовуглецевого датування не дозволяє точно визначати вік зразків цього періоду, створюючи значну невизначеність у хронології археологічних культур, зокрема Гальштатської культури залізної доби в Європі. Виявлення чіткого 11-річного циклу протягом усього цього «проблемного» періоду стало несподіванкою і надає нове уявлення про поведінку Сонця, зазначає Пірсон.

«Я був здивований, побачивши, наскільки стабільним був 11-річний цикл Сонця протягом першого тисячоліття до нашої ери, — ділиться Брем. — Це було захоплююче відкриття».

«Я насправді велика прихильниця вивчення проміжків між подіями, тому що для мене ці дані такі ж захоплюючі, як і самі сонячні бурі», — додає Пірсон. «Ми бачимо, що робило наше Сонце протягом тривалих періодів часу, і це може містити ключ до того, як, коли і чому відбуваються ці екстремальні події».

Окрім фундаментального розуміння Сонця, отримані дані також виявляють унікальні патерни змін ¹⁴C, які можуть слугувати своєрідними «часовими маркерами» для прив'язки археологічних знахідок та уточнення історичних хронологій. «Сонячні патерни набувають подвійної важливості, оскільки вони відтворюються в деревах у будь-якій точці світу», — пояснює Пірсон. «Це означає, що тепер ці патерни можна використовувати для датування дерев'яних артефактів Гальштатського періоду з точністю, яка раніше була недосяжною». Це може допомогти вирішити багаторічні суперечки щодо хронології певних археологічних пам'яток та історичних подій.

Команда дослідників з оптимізмом дивиться в майбутнє, оскільки нещодавно в Лабораторії досліджень річних кільць дерев Університету Аризони було встановлено новий, надсучасний прилад для аналізу радіовуглецю. Його серцем є компактний прискорювальний мас-спектрометр (AMS), здатний вимірювати вміст ¹⁴C у надзвичайно малих зразках деревини — міліграмових або навіть менших. Це відкриває можливості для аналізу рідкісних або крихких зразків, а також для отримання даних з вищою часовою роздільною здатністю всередині одного річного кільця.

«Новий інструмент дозволить нам повною мірою скористатися нашим величезним архівом зразків річних кілець і заповнити багато білих плям у радіовуглецевому літописі протягом століть», — підсумовує Пірсон. Це обіцяє нові відкриття не лише про минуле Сонця, але й про клімат Землі, історичні події та взаємозв'язок між космічними процесами та життям на нашій планеті.