Международная группа исследователей реконструировала самую детальную историю солнечной активности начиная с 969 года нашей эры, используя метод радиоуглеродного датирования. Данный метод оценивает соотношение содержания радиоактивного изотопа 14C и стабильных изотопов углерода в годовых кольцах деревьев.
Солнечная активность оказывает непосредственное влияние на космическую погоду всей системы и климат Земли в частности. Одним из самых изученных проявлений интенсивности солнечной активности являются солнечные пятна, видимые на поверхности звезды. Хотя о существовании тёмных областей с пониженной температурой человечеству известно ещё со времён античности, более детальное и регулярное исследование размеров и поведения пятен стало возможным лишь около 400 лет назад с изобретением телескопов. Благодаря им сегодня мы знаем, что интенсивность и динамика солнечной активности периодична. В частности, в наше время Солнце проходит через максимумы и минимумы активности в пределах 11-летнего цикла.
В то же время учёным известно о существовании более продолжительных циклов сильной и слабой солнечной активности. Чтобы узнать о том, как происходило развитие звезды до начала систематических наблюдений, команда физиков реконструировала самую детальную историю солнечной активности за последние 1000 лет. Во главе исследования, в котором приняли участие учёные из Швейцарской высшей технической школы Цюриха, Института исследования Солнечной системы Общества Макса Планка и Лундского университета, стали Ганс-Арно Синал и Лукас Вакер из Лаборатории ионно-пучковых и плазменных технологий. Для реконструкции истории солнечной активности на протяжении целого тысячелетия с высоким «разрешением» датирования исследователи обратились к дендрохронологии и радиоуглеродному датированию на основе архивных образцов годовых колец из Англии и Швейцарии.
Возраст образцов определяют по количеству сезонных и годичных колец. В каждом из них содержится ничтожное количество радиоактивного изотопа 14C (примерно 1 радиоактивный атом на триллион стабильных). Зная период полураспада изотопа – около 5700 лет – можно вычислить концентрацию радиоактивного углерода в атмосфере на момент роста каждого кольца. Главным источником 14C в земной атмосфере являются частицы космических лучей, от которых Землю довольно надёжно защищает магнитное поле солнечного ветра. Таким образом с повышением активности Солнца ослабевает влияние на Землю галактических космических лучей, а значит в атмосфере наблюдается понижение концентрации изотопа 14C.
Из-за чрезвычайно малого содержания радиоактивного углерода в образцах задача их пересчёта сравнима с поиском пылинки на иголке в гигантском стоге сена. Впрочем, используя модернизированный метод ускорительной масс-спектрометрии, учёные сумели определить концентрацию изотопа с точностью до 0,1%. Данный метод предусматривает извлечение нужных атомов углерода – изотопов 14C и 12C (стабильного) – из древесины с последующей их ионизацией и ускорением. Затем заряженные атомы проходят через магнитное поле: из-за разной массы они движутся с разными траекториями, что позволяет поштучно их пересчитать. Для сопоставления полученной информации с историей солнечной активности учёным пришлось провести невероятный статистический анализ и обработать данные при помощи нескольких компьютерных моделей.
Эта непростая процедура позволила исследователям составить точнейший «календарь» солнечной активности с 969 по 1933 год. Реконструкция подтвердила регулярность 11-летнего цикла, а также показала, что амплитуда данных циклов всегда была заметно меньшей в более продолжительные периоды солнечного минимума. Новая информация чрезвычайно важна для общего понимания внутренней динамики Солнца. Кроме того, детальный анализ солнечной активности доказал существование потенциально опасных солнечно-протонных штормов, происходящих в результате аномально мощных солнечных вспышек или корональных выбросов массы. В частности, подобные события нашли своё отражения в пиковых концентрациях изотопа 14C в кольцах, относящихся к 993, 1052 и 1279 году. Данное открытие позволило учёным прийти к выводу, что протонные шторма, способные нарушить работу электрического оборудования и орбитальных спутников, происходят чаще, чем предполагалось ранее.
В ближайшем будущем физики планируют применить свой улучшенный метод радиоуглеродного датирования для анализа более обширного архива древесных годичных колец, который охватывает последние 14 тысяч лет. Это значит, что учёные сумеют рассчитать концентрацию радиоактивного углерода в атмосфере вплоть до окончания последнего ледникового периода. Кроме того, их методика может послужить усовершенствованию принципов изотопного датирования органических материалов. В частности, её уже учли при формировании последнего издания международного стандарта калибровочной кривой IntCal.
