Дифференциальный характер вращения Солнца озадачивал ученых на протяжении десятилетий. Известно, что в то время как его полюса вращаются с периодом  примерно в 34 дня, средние широты делают оборот быстрее, а экваториальному региону для этого требуется на 10 дней меньше. Кроме того, достижения последних лет в гелиосейсмологии (то есть в исследовании недр Солнца с помощью солнечных акустических волн), установили, что этот профиль вращения практически постоянен во всей зоне конвекции. Этот слой Солнца простирается с глубины примерно 200 000 километров до видимой поверхности. Тут же происходят сильные возмущения горячей плазмы, которые играют решающую роль в обеспечении солнечного магнетизма и активности.

Хотя теоретические модели уже давно говорят, что между полюсами и экватором есть небольшая разница температур, необходимая  для поддержания паттерна вращения Солнца, оказалось, что ее чрезвычайно сложно измерить. В конце концов, наблюдениям приходится "просматривать" фон глубоких недр звезды, температура которых достигает миллионов градусов. Однако, как показывают ученые из Института исследования Солнечной системы Общества Макса Планка (MPS), теперь можно определить разницу температур по наблюдениям длиннопериодических колебаний светила.

Ученые проанализировали наблюдения, полученные с помощью гелиосейсмического и магнитного формирователя изображения (HMI) на борту Обсерватории солнечной динамики НАСА с 2017 по 2021 год. Используя эти данные исследователи обратились к глобальным солнечным колебаниям с длительными периодами, которые можно различить как вихревые движения на солнечной поверхности. Впервые об открытии этих инерционных колебаний ученые из MPS сообщили три года назад. Среди них особенно влиятельными оказались высокоширотные, со скоростями до 70 километров в час.

Для изучения их нелинейной природы был создан целый ряд трехмерных численных моделей. В этих симуляциях, высокоширотные колебания переносят тепло от полюсов Солнца к экватору, что ограничивает разницу температур между ними до менее чем семи градусов. 

"Эта очень небольшая разница между полюсами и экватором контролирует баланс углового момента на Солнце и, таким образом, является важным механизмом обратной связи для глобальной динамики звезды", — говорит директор MPS, профессор Лоран Жизон.

В своих симуляциях исследователи впервые описали важные процессы в полностью трехмерной модели. Прежние попытки ограничивались двумерными подходами, предполагавшими симметрию относительно оси вращения Солнца. 

"Сопоставление нелинейного моделирования с наблюдениями позволило нам понять физику долгопериодических колебаний и их роль в управлении дифференциальным вращением", — говорит ведущий автор исследования из MPS Юто Бекки.

Солнечные высокоширотные колебания вызываются градиентом температуры аналогично внетропическим циклонам на Земле. То есть физика аналогична, но детали отличаются. "На Солнце полюс примерно на семь градусов горячее, чем экватор, и этого достаточно, чтобы вызвать потоки со скоростью около 70 километров в час над значительной частью поверхности. Этот процесс чем-то похож на движение циклонов", — объясняет Роберт Кэмерон из MPS.

Исследование опубликовано в журнале Science Advances.