Jahrhunderte alte Zeichnungen des Astronomen Johannes Kepler lösen das Rätsel des Sonnensystems

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Der deutsche Astronom Johannes Kepler zeichnete 1607 anhand seiner Beobachtungen der Sonnenoberfläche Diagramme von Sonnenflecken – und Jahrhunderte später helfen diese bahnbrechenden Zeichnungen Wissenschaftlern, das Geheimnis der Sonne zu lösen.

Obwohl sich im Sonnensystem alles um die Sonne dreht, konnten Wissenschaftler viele Geheimnisse dieses Sterns noch nicht lüften.

Die Untersuchung der Veränderung der Sonne im Laufe der Zeit, einschließlich des Sonnenzyklus, könnte jedoch einige seit langem bestehende Fragen zum Feuerball und seinen Veränderungen beantworten.

Einige dieser Fragen drehen sich um die Sonnenaktivität im 17. Jahrhundert, das eine entscheidende Zeit für die Erforschung der Sonne war.

Astronomen Mit Teleskopen beobachtete Sonnenflecken Im Jahr 1610 erlebte die Sonne ihre erste Beobachtung. Gleichzeitig erlebte die Sonne einen ungewöhnlichen Übergang in eine längere Phase schwacher Aktivität. Keplers lange Zeit ignorierte Zeichnungen, die übersehen wurden, weil es sich eher um Zeichnungen als um teleskopische Beobachtungen handelte, waren in der Lage, bedeutsame historische Erkenntnisse zu liefern.

Am 25. Juli erschien eine neue Studie, die die Bedingungen nachstellt, unter denen Kepler seine Zeichnungen anfertigte Astrophysikalische Tagebuchbriefe.

„Kepler hat der Astronomie und Physik im 17. Jahrhundert viele historische Meilensteine ​​verliehen und sein Erbe bis ins Weltraumzeitalter hinterlassen“, sagte Hisashi Hayakawa, Hauptautor der Studie und Assistenzprofessor am Institut für Weltraum- und terrestrische Umweltforschung der Universität Nagoya eine Aussage.

„Wir fügen hinzu, dass Keplers Sonnenfleckenaufzeichnungen mehrere Jahre älter sind als die aktuellen teleskopischen Sonnenfleckenaufzeichnungen aus dem Jahr 1610. Seine Zeichnungen von Sonnenflecken sind ein Beweis für sein wissenschaftliches Können und seine Beharrlichkeit angesichts technologischer Einschränkungen.“

Die Sonne durchläuft einen 11-jährigen Zyklus zunehmender und abnehmender Aktivität, der als Sonnenzyklus bekannt ist. Wissenschaftler gehen derzeit davon aus, dass die Sonne den Höhepunkt ihrer Sonnenaktivität erreicht oder sich ihm nähert. Dabei handelt es sich um den jährlichen Höhepunkt ihrer Aktivität im aktuellen Sonnenzyklus, der als Sonnenzyklus 25 bezeichnet wird.

Die maximale Sonnenaktivität ist normalerweise mit einer Zunahme der Anzahl sichtbarer Sonnenflecken auf der Sonnenoberfläche verbunden. Diese dunklen Bereiche, von denen einige die Größe der Erde oder größer haben können, werden durch die starken und sich ständig ändernden Magnetfelder der Sonne erzeugt.

Wissenschaftler verfolgen heute die Sonnenaktivität anhand von Daten von boden- und weltraumgestützten Observatorien, Magnetkarten der Sonnenoberfläche und Ultraviolettbeobachtungen der äußeren Sonnenatmosphäre.

Aber selbst der Versuch, die Sonne zu beobachten, war vor Jahrhunderten eine schwierige Aufgabe.

Mark Misch, ein wissenschaftlicher Forscher am Space Weather Prediction Center der National Oceanic and Atmospheric Administration in Boulder, Colorado, sagte, dass Sonnenflecken mit bloßem Auge durch Nebel oder Rauch beobachtet wurden, der durch Waldbrände verursacht wurde, oder in der Nähe von Sonnenaufgang oder Sonnenuntergang, wenn die Atmosphäre dazu beitrug, die Helligkeit zu dämpfen. Die Sonne. Misch war an der neuen Forschung nicht beteiligt.

Kepler verwendete ein Gerät namens Camera Obscura, das ein kleines Loch in der Wand des Geräts nutzte, um ein Bild der Sonne auf ein Blatt Papier zu projizieren und die von ihm beobachteten Merkmale zu zeichnen. Kepler glaubte fälschlicherweise, er hätte im Mai 1607 ein Bild des Planeten Merkur gemacht, der sich auf einer Umlaufbahn um die Sonne bewegte, zog seinen Bericht jedoch 11 Jahre später zurück und stellte fest, dass er eine Gruppe von Sonnenflecken beobachtet hatte.

„Da es sich bei dieser Aufzeichnung nicht um eine Teleskopbeobachtung handelte, wurde sie nur im Kontext der Wissenschaftsgeschichte diskutiert und im 17. Jahrhundert nicht für quantitative Analysen von Sonnenzyklen verwendet“, sagte Hayakawa.

„Aber dies ist die älteste Zeichnung eines Sonnenflecks, die jemals mit einem Beobachtungs- und Projektionsinstrument erstellt wurde. Wir erkannten, dass diese Zeichnung eines Sonnenflecks in der Lage sein sollte, uns den Standort des Sonnenflecks und das Stadium des Sonnenzyklus im Jahr 1607 anzuzeigen solange wir in der Lage waren, den Beobachtungszeitpunkt und die Beobachtungszeit einzugrenzen und die Neigung „Sonnenabbildungskoordinaten – das heißt die Positionen von Merkmalen auf der Sonnenoberfläche – zu diesem Zeitpunkt“ zu rekonstruieren.

Niedrigster Sonnenstand

Sonnenflecken sind nicht die einzige Möglichkeit für Wissenschaftler, Veränderungen in der Sonne zu verstehen. Misch sagt, dass Veränderungen im Magnetfeld der Sonne die Bewegung hochenergetischer Teilchen, der sogenannten kosmischen Strahlung, durch den Weltraum regulieren.

Wenn kosmische Strahlen auf die Erdatmosphäre treffen, können sie deren chemische Zusammensetzung, einschließlich des Kohlenstoffgleichgewichts, verändern.

„Mit der Zeit wird dieser Kohlenstoff in Pflanzen, Tiere und sogar unseren Körper eingebaut“, sagt Misch. „Baumringe bieten eine einzigartige Möglichkeit, die Veränderung des Kohlenstoffs von Jahr zu Jahr zu verfolgen. Einige Ringe in alten Bäumen können Tausende von Jahren zurückverfolgt werden. Ebenso können Kohlenstoffisotope und andere Elemente durch Luftblasen verfolgt werden, die in Gletschereiskernen eingeschlossen sind.“

In Baumringen und Eisbohrkernen eingeschlossene Kohlenstoffisotope wurden verwendet, um alte Sonnenfleckenbeobachtungen zu kontextualisieren und unser Verständnis der Sonnenaktivität vor Sonnenfleckenbeobachtungen zu erweitern, sagte Misch.

Solche Daten wurden verwendet, um Astronomen dabei zu helfen, das Maunder-Minimum zu verstehen, eine Periode schwacher und höchst abnormaler Sonnenzyklen zwischen 1645 und 1715. Während des sogenannten großen Sonnenminimums verschwanden die Sonnenflecken nahezu und die wenigen beobachteten Flecken erschienen nur auf der Südhalbkugel. Astronomen diskutieren noch heute über den grundlegenden Mechanismus eines großen Sonnenminimums, insbesondere wenn sie versuchen herauszufinden, wann und ob es in den kommenden Jahrhunderten auftreten könnte.

Aber Astronomen sind sich einig, dass sich das Muster der Sonnenaktivität allmählich von regelmäßigen Zyklen zu großen Minima verlagerte.

A Analyse vergangener Baumringe Er schlug vor, dass ein kurzer Sonnenzyklus, der Sonnenzyklus minus 14, nur fünf Jahre lang war und zu einem extrem langen Sonnenzyklus von 16 Jahren führte, der als Sonnenzyklus minus 13 bekannt ist.

„Wenn das wahr ist, wäre es wirklich interessant“, sagte Hayakawa. Eine andere Rekonstruktion basierend auf Baumringen deutete jedoch auf eine Abfolge von Sonnenzyklen mit normalen Zeiträumen (11 Jahre) hin Es ist wichtig, diese Rekonstruktionen anhand unabhängiger – vorzugsweise Beobachtungs – Aufzeichnungen zu überprüfen.“

Also wandte er sich Keplers Zeichnungen zu.

Hayakawa und seine Kollegen übersetzten Keplers Originalbericht, der in Latein verfasst war, um die genaue Ausrichtung seiner Zeichnungen von Sonnenflecken zu verstehen und um die Zeit und Orte einzugrenzen, an denen Kepler Beobachtungen machte.

Als nächstes besuchte Hayakawa Orte in Prag, darunter Keplers französisches Kronhaus und die Werkstatt des Hofmechanikers Justus Borghe, um das Gelände besser zu verstehen, von dem aus Kepler die Sonnenflecken sah.

Mithilfe moderner Datentools konnten Hayakawa und seine Kollegen die Neigung des Sonnenflecks berechnen und seinen Standort auf der Sonne bestimmen. Sie haben sich auch beworben Sporersches Gesetzwurde erstmals von einem englischen Amateurastronomen beobachtet Richard Christopher Carrington Es wurde jedoch vom deutschen Astronomen Gustav Spurrier weiterentwickelt, der die Wanderung von Sonnenflecken von höheren Breiten in niedrigere Breiten während des Sonnenzyklus beschrieb.

Das Forscherteam kam zu dem Schluss, dass die von Kepler beobachtete Gruppe von Sonnenflecken zum Ende des Sonnenzyklus minus 14 und nicht zum Beginn des Sonnenzyklus minus 13 gehört.

Die Ergebnisse stützen die Annahme, dass der Minus-13-Zyklus der Sonne regelmäßig 11 Jahre und nicht 16 Jahre dauerte. Die Forscher konnten auch schätzen, dass der Minus-13-Zyklus der Sonne wahrscheinlich zwischen 1607 und 1610 begann.

„Dies zeigt einen typischen Übergang vom vorherigen Sonnenzyklus zum nächsten gemäß dem Spohrerschen Gesetz“, sagte Thomas Tijou, einer der Autoren der Studie und Beobachter am Zentrum für Solar Impact Data Analysis am Königlichen Observatorium von Belgien, in einem Stellungnahme.

Da der längste jemals in den letzten drei Jahrhunderten aufgezeichnete Sonnenzyklus 14 Jahre dauerte, sei es an der Zeit, eine weitere wissenschaftliche Einführung in das Maunder-Minimum zu finden, sagte Hayakawa.

Sabrina Bechet, Co-Autorin der Studie und Forscherin am Königlichen Observatorium von Belgien, sagte, es gebe noch viel von historischen Persönlichkeiten wie Kepler zu lernen.

„Wie mir einer meiner Kollegen sagte, ist es interessant zu sehen, dass die Erbeaufzeichnungen historischer Persönlichkeiten auch Jahrhunderte später noch sehr wichtige wissenschaftliche Implikationen für zeitgenössische Gelehrte vermitteln“, sagte Bechet. „Im Fall Keplers stehen wir auf den Schultern eines wissenschaftlichen Giganten.“

Keplers Zeichnungen helfen dabei, laufende Diskussionen über die Sonnenzyklen zu unterstützen, die zum Maunder-Minimum führten, und könnten Astronomen auch dabei helfen, die Bedingungen vor dem Ereignis zu modellieren, sagte Hayakawa.

„Durch die Einordnung der Kepler-Ergebnisse in umfassendere Rekonstruktionen der Sonnenaktivität gewinnen Wissenschaftler einen entscheidenden Kontext für die Interpretation von Veränderungen im Verhalten der Sonne in dieser entscheidenden Periode, die einen Übergang von regulären Sonnenzyklen zu einem großen Sonnenminimum darstellt“, sagte er.

Misch nannte die neue Studie „eine beeindruckende Arbeit“ und ein Beispiel für investigative Arbeit, die aus historischen Aufzeichnungen neue Erkenntnisse gewinnt.

„Die lange Geschichte der Sonnenfleckenbeobachtung stellt über die Jahrhunderte hinweg eine Verbindung zu Generationen von Astronomen her, die die Sonne mit Respekt und Neugier betrachteten und sich vom Aberglauben zur wissenschaftlichen Untersuchung zum Verständnis entwickelten. Es ist inspirierend zu sehen, dass Astronomen der Vergangenheit weiterhin zur Wissenschaft beitragen.“ Ihre Bemühungen sind heute wichtiger als je zuvor.“ „Sie hätten es sich nie vorstellen können, da unsere technologische Gesellschaft immer anfälliger für die ewigen Höhen und Tiefen der Sonnenaktivität wird.“