고대 케플러 스케치는 태양 주기 미스터리에 대한 단서를 밝힙니다

1607년에 요하네스 케플러(Johannes Kepler)는 태양의 이미지를 종이에 투사하여 어두운 얼룩을 발견했습니다. 그는 수성이 우리 별을 가로지르는 것을 보고 있다고 생각했습니다. 그는 틀렸다. 이를 깨닫지 못한 채 케플러는 태양을 기기로 관측하기 이전에 알려진 가장 오래된 흑점 이미지인 거대한 흑점을 스케치했습니다.

천체 물리학자들은 라벨이 잘못 붙은 스케치를 분석함으로써 흑점이 70년 동안 불가사의하게 사라지기 직전에 마침내 태양의 자기 리듬을 제한했습니다.

케플러의 400년 된 실수는 태양이 극소기에 진입하기 전에 어떻게 행동하는지에 대한 오랜 논쟁을 해결하는 데 도움이 되며, 일부 재구성이 제안한 것보다 태양이 더 규칙적인 주기를 유지한다는 견해를 뒷받침합니다.

벽의 그림자

천문학자들은 일반적으로 현대 망원경을 사용하여 우리 별의 자기 활동이 리드미컬하게 밀리고 쇠퇴하는 모습을 추적합니다. 태양 주기라고 알려진 이 대략 11년 주기의 리듬은 태양의 전체적인 기질을 결정합니다. "태양 극소기" 동안 별의 표면은 상대적으로 조용하고 흠집이 없습니다. 그러나 주기가 "태양 최대치"를 향해 증가함에 따라 자기장은 점점 더 엉키고 혼란스러워집니다. 이렇게 높아진 자기장력은 뒤틀리고 끊어지며 격렬한 태양 플레어를 일으키고 흑점이라고 알려진 표면에 어둡고 일시적인 흠집을 생성합니다.

천문학자들은 1755년에 이 11년 주기를 공식적으로 계산하기 시작한 이래로 이 태양 진자의 진동을 시계처럼 추적해 왔습니다. 우리는 현재 태양주기 25의 물결을 타고 있습니다.

그러나 17세기 초에는 망원경이 완전히 초기 단계에 있었습니다.

태양을 이미지화하기 위해 케플러는 카메라 옵스큐라를 사용했습니다. 그는 벽에 작은 구멍을 뚫어 햇빛이 어두운 방으로 흘러 들어와 종이 위에 떨어지게 하여 태양의 표면을 투사했습니다.

태양은 전기적으로 충전된 가스, 즉 플라즈마가 휘젓는 공입니다. 별이 회전하면서 자신의 자기장을 끌어당겨 보이지 않는 힘의 선을 비틀고 감습니다. 장력이 너무 커지면 이러한 자기 띠가 표면을 뚫고 나옵니다. 그들은 아래에서 솟아오르는 열을 억제하여 약 3,800켈빈(3,527°C 또는 6,380°F)의 패치를 생성합니다. 이는 주변의 약 5,800~6,000켈빈(5,527°C~5,727°C 또는 9,980°F~10,340°F)의 광구보다 훨씬 더 시원합니다.

온도와 밝기의 극명한 대비로 인해 요하네스 케플러가 1607년에 수성 행성이라고 잘못 생각했던 것과 마찬가지로 지구상의 관찰자에게는 어두운 얼룩이나 반점으로 나타납니다. 케플러는 결국 10년 후에 자신의 실수를 깨닫고 1618년에 공식적으로 수성 보고서를 철회했습니다. 그러나 현대 천문학자들은 태양 주기를 평가할 때 그의 스케치를 대부분 무시했습니다.

"이 기록은 망원경 관측이 아니기 때문에 과학사의 맥락에서만 논의되었을 뿐이고 17세기 태양 주기에 대한 정량적 분석에는 사용되지 않았습니다."라고 나고야 대학 연구원이자 새로운 연구의 주 저자인 하야카와 히사시가 나고야 대학 성명에서 말했습니다.

“그러나 이것은 도구를 이용한 관찰과 투영을 통해 만들어진 가장 오래된 흑점 스케치입니다.”

최소

미래에 태양의 행동을 지도화하기 위해 과학자들은 과거에 대한 더 명확한 그림이 필요합니다. 1645년에서 1715년 사이에 태양은 이상할 정도로 조용해졌습니다. 흑점은 사실상 사라졌습니다.

태양 주기에 대한 공식적인 추적은 나중에 이루어졌지만 망원경 자체는 1608년경에 발명되었습니다. 프랑스의 조반니 카시니(Giovanni Cassini)와 같은 당대의 저명한 천문학자들은 세심한 기록을 유지했으며 태양이 얼마나 완전히 백지인지에 공개적으로 놀랐습니다. 그들은 때때로 단 하나의 흠도 발견하지 못한 채 몇 년을 보냈습니다. 1671년에 카시니는 흑점을 발견하고 이를 주요 사건으로 기록했으며, 누구도 흑점을 본 지 약 10년이 지났다고 기록했습니다.

연구자들은 이 시대를 마운더 극소기라고 부릅니다.

그 당시의 망원경 기록은 드물고 천문학자들이 원하는 만큼 신뢰할 수 없기 때문에 연구자들은 역사적으로 그 공백을 메우기 위해 고대 나무로 눈을 돌렸습니다.

태양이 매우 활동적일 때, 태양의 강한 자기장은 방패처럼 작용하여 우주 방사선이 지구에 도달하는 것을 차단합니다. 하지만 우리 별이 조용해지면 그 보호막이 떨어집니다.

우주선이 우리 대기에 충돌하여 탄소-14라는 특정 유형의 탄소를 생성합니다. 나무는 자라면서 공기 중 탄소를 흡수하여 나무 고리 안에 태양의 역사에 대한 영구적인 기록을 가두어 둡니다.

하지만 그 반지를 읽는 것은 까다롭습니다. 동일한 샘플을 해석한 여러 팀은 마운더 극소기 직전의 태양 주기에 대해 모순되는 결론에 도달했습니다.

일부 연구자들은 Cycle-14(현대 추적 시대 이전의 14번째 주기)로 지정된 태양 주기가 비정상적으로 짧은 5년 주기였다고 주장했습니다. 다른 사람들은 이것이 표준 11~14년 주기라고 주장했습니다. 그들은 확실한 타이브레이커가 필요했습니다. 케플러는 답을 갖고 있었습니다.

태양열 타임머신

하야카와와 그의 국제 팀은 케플러의 현존하는 그림을 분석했습니다. 하나는 그의 집에서 만들었고 다른 하나는 같은 날 프라하 성채 작업장에서 급하게 스케치했습니다. 팀은 1607년 5월 28일 프라하 상공의 태양의 정확한 기울기를 계산했습니다. 케플러의 그림을 이러한 현대 궤도 모델에 맞춰 방향을 조정함으로써 그들은 그가 목격한 흑점의 보다 정확한 좌표를 추론했습니다.

스포러의 법칙으로 알려진 원리에 따르면 11년 주기가 시작될 때 별의 극 근처 고위도 지역에서 흑점이 분출됩니다. 주기가 진행됨에 따라 새로운 지점이 태양 적도에 점점 더 가까워집니다.

케플러의 그림은 그의 흑점을 매우 낮은 위도에 배치했습니다. 이는 태양이 주기의 시작이 아니라 끝 부분에 있다는 것을 의미합니다.

이 저위도 지점을 불과 몇 년 후에 이루어진 후속 망원경 관측과 일치시킴으로써 연구자들은 케플러 관측을 태양주기-14의 마지막에 확고하게 자리 잡았습니다. 다음 주기로의 전환은 1607년에서 1610년 사이에 순조롭게 이루어졌습니다.

결국 태양은 정상적으로 행동하고 있었습니다. 규칙적인 11~14년 주기를 가리키는 나이테 데이터는 계속해서 지원되었습니다. 우리 별은 마운더 최소점에 튀거나 멈춰 있지 않았습니다. 규칙적인 리듬에서 점차 빠져들어갔습니다.

“케플러의 발견을 더 넓은 태양 활동 재구성에 적용함으로써 과학자들은 정규 태양 주기에서 극소기로의 전환을 나타내는 이 중요한 시기에 태양 행동의 변화를 해석하는 데 중요한 맥락을 얻습니다.”라고 하야카와는 말했습니다.

케플러는 자신이 별의 자기주기를 추적하고 있다는 것을 알 방법이 없었습니다. 그는 단지 자신이 본 것을 스케치하면서 당시의 기술적 한계를 극복하면서 작업했습니다. 그러나 잘못 식별된 그 단일 흑점은 태양 역사의 중요한 부분을 보존했으며, 4세기 후에 천문학자들에게 필요한 잃어버린 고리임이 입증되었습니다.

이 연구는 2024년 The Asphysical Journal Letters에 게재되었습니다. .