Астрономы объяснили «событие Мияке» активностью Солнца

Когда высокоэнергетическое излучение достигает верхних слоев атмосферы, оно превращает атомы азота в радиоактивный углерод-14, или радиоуглерод. Затем радиоуглерод просачивается через воздух и океаны, попадает в отложения и болота, попадает в человека, в животных и растения, включая твердые породы деревьев с их годичными кольцами.

Для археологов радиоуглерод — это находка. После своего образования углерод-14 медленно и неуклонно распадается обратно на азот, что означает, что его можно использовать в качестве часов для измерения возраста органических образцов в так называемом радиоуглеродном датировании.

Для астрономов он также представляет ценность. Годовые кольца деревьев предоставляют ежегодный отчет о высокоэнергетических частицах, называемых «космическими лучами», насчитывающий тысячелетия.

Магнитные поля Земли и Солнца защищают нас от космических лучей, пронизывающих Галактику. Больше космических лучей достигает Земли, когда эти магнитные поля слабее, и меньше, когда магнитные поля сильнее. Это означает, что повышение и понижение уровня углерода-14 в годичных кольцах деревьев кодирует историю 11-летнего цикла солнечного динамо (которое создает магнитное поле Солнца) и инверсии магнитного поля Земли.

Но кольца деревьев также фиксируют события, которые мы пока не можем объяснить. В 2012 году японский физик Фуса Мияке (Fusa Miyake) обнаружила всплеск содержания радиоуглерода в годичных кольцах деревьев 774 года нашей эры. Оно было настолько большим, что количество космических лучей должно было бы в сумме достигать нескольких обычных лет одновременно.

По мере того как к поискам присоединялось все больше команд, были обнаружены годичные кольца деревьев, подтверждающие последующие «события Мияке»: 993 г. н.э. и 663 г. до н.э., а также доисторические события 5259 г. до н.э., 5410 г. до н.э. и 7176 г. до н.э.

Они уже привели к революции в археологии. Обнаружение одного из этих коротких, острых пиков в древнем образце позволяет свести его дату к одному году, а не к десятилетиям или столетиям неопределенности, как при обычном радиоуглеродном датировании.

Среди прочего, коллеги из археологии использовали событие 993 года нашей эры, чтобы установить точный год первого европейского поселения в Америке, деревни викингов в Л’Анс-о-Медоуз в Ньюфаундленде: 1021 год нашей эры.

В физике и астрономии эти события Мияке остаются загадкой. Откуда же такой огромный импульс радиации? Во множестве статей источником называют сверхновые звезды, гамма-всплески, взрывы намагниченных нейтронных звезд и даже кометы.

Однако наиболее широко принятое объяснение состоит в том, что события Мияке — это «солнечные супервспышки». Эти гипотетические извержения на Солнце, возможно, в 50–100 раз более мощные, чем крупнейшее из зарегистрированных в современную эпоху, Кэррингтонское событие 1859 года.

Если бы подобное событие произошло сегодня, оно разрушило бы электрические сети, телекоммуникации и спутники. Если такие вспышки происходят случайным образом, примерно 1 раз в тысячу лет, то вероятность появления в десятилетие составляет 1% — и это серьезный риск.

Команда астрономов решила просмотреть все доступные данные годичных колец и определить интенсивность, время и продолжительность событий Мияке. Для этого им пришлось разработать программное обеспечение для решения системы уравнений, которые моделируют, как радиоуглерод фильтруется через весь глобальный углеродный цикл, чтобы выяснить, какая часть в какие годы попадает в деревья, а какая в океаны, болота и т.д.

Работая с археологами, астрономы только что выпустили первое воспроизводимое систематическое исследование всех 98 деревьев, которые были изучены на событие Мияке. Они также выпустили программное обеспечение для моделирования с открытым исходным кодом в качестве платформы для будущей работы.

Результаты исследования подтверждают, что каждое такое событие содержит количество радиации до 4 обычных лет. Более ранние исследования предполагали, что деревья, расположенные ближе к полюсам Земли, зафиксировали больший всплеск — если бы причиной были солнечные супервспышки, — но работа ученых, рассматривающая большую выборку деревьев, показывает, что это не так.

Ученые также обнаружили, что эти события могут произойти в любой момент 11-летнего цикла солнечной активности. С другой стороны, солнечные вспышки, как правило, происходят на пике цикла.

Больше всего озадачивает то, что пара всплесков, кажется, занимает больше времени, чем можно объяснить медленным прохождением нового радиоуглерода через углеродный цикл. Это говорит о том, что либо события иногда могут длиться дольше года, что не ожидается при гигантской солнечной вспышке, либо вегетационные периоды деревьев не такие равномерные, как считалось ранее.

На взгляд ученых Солнце по-прежнему является наиболее вероятным виновником событий Мияке. Однако их результаты показывают, что мы наблюдаем нечто, больше похожее на шторм.

Источник: Qingyuan Zhang et al, Modelling cosmic radiation events in the tree-ring radiocarbon record, Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences (2022). DOI: 10.1098/rspa.2022.0497