Rahasia Rotasi Matahari Terungkap: Peran Penting Osilasi Jangka Panjang dalam Mengatur Pola Putaran

Interior dari Matahari tidak berputar dengan kecepatan yang sama di semua lintang. Asal fisik dari rotasi diferensial tersebut belum sepenuhnya dipahami ilmuwan. Kita tahu bahwa rotasi Matahari, atau periode waktu yang dibutuhkan oleh Matahari untuk melakukan rotasi penuh terhadap sumbunya sendiri, berbeda-beda di berbagai lintang. Pada khatulistiwa, periode rotasi rata-rata adalah sekitar 25,4 hari. Namun, di kutub, periode rotasinya dapat menjadi lebih panjang, mencapai sekitar 35 hari.

Suatu tim peneliti di Max Planck Institute for Solar System Research (MPS) di Jerman telah membuat penemuan yang revolusioner. Seperti yang dilaporkan tim dalam jurnal Science Advances, osilasi matahari jangka panjang yang ditemukan oleh ilmuwan MPS pada tahun 2021 memainkan peran penting dalam mengendalikan pola rotasi Matahari. Osilasi jangka panjang tersebut analog dengan gelombang yang tidak stabil secara baroklinik di atmosfer Bumi yang membentuk cuaca.

Baroklinik adalah istilah untuk sistem dalam atmosfer atau lautan di mana ada perbedaan yang besar antara kecepatan angin atau arus air di permukaan dengan yang ada di ketinggian. Hal tersebut seperti saat cuaca berubah secara cepat karena perbedaan kecepatan angin di berbagai ketinggian. Dalam kasus Matahari, peneliti menemukan bahwa osilasi jangka panjang yang mirip dengan gelombang baroklinik di atmosfer Bumi memainkan peran penting dalam mengatur bagaimana Matahari berputar di berbagai lintang.

Di Matahari, osilasi jangka panjang membawa panas dari kutub yang sedikit lebih panas ke khatulistiwa yang sedikit lebih dingin. Untuk mendapatkan hasil dari suatu analisis, para ilmuwan menginterpretasi observasi dari NASA’s Solar Dynamics Observatory menggunakan simulasi numerik canggih dari interior Matahari. Tim ilmuwan menemukan bahwa perbedaan suhu antara kutub dan khatulistiwa sekitar tujuh derajat.

Pola rotasi diferensial Matahari telah membingungkan ilmuwan selama beberapa dekade: sementara kutub berputar dengan periode sekitar 34 hari, lintang menengah berputar lebih cepat dan wilayah khatulistiwa hanya memerlukan sekitar 24 hari untuk rotasi penuh. Selain itu, dalam beberapa tahun terakhir kemajuan dalam helioseismologi, yaitu penyelidikan interior Matahari dengan bantuan gelombang akustik surya, telah menetapkan bahwa profil rotasi ini hampir konstan di seluruh zona konveksi. Lapisan Matahari tersebut membentang dari kedalaman sekitar 200.000 kilometer hingga permukaan Matahari yang terlihat dan merupakan tempat bagi perubahan yang keras dari plasma panas yang memainkan peran penting dalam menggerakkan magnetisme dan aktivitas surya.

Sementara model-model teoritis telah lama menghipotesiskan perbedaan suhu kecil antara kutub dan khatulistiwa Matahari untuk mempertahankan pola rotasi Matahari, nyatanya hal tersebut terbukti sangat sulit untuk diukur. Ternyata observasi harus “melihat melalui” latar belakang interior dalam Matahari yang mencapai suhu jutaan derajat. Namun, seperti yang ditunjukkan peneliti dari MPS, saat ini memungkinkan untuk menentukan perbedaan suhu dari observasi osilasi jangka panjang Matahari.

Osilasi lintang tinggi mengendalikan rotasi diferensial

Dalam analisis tim peneliti terhadap data observasional yang diperoleh oleh Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) di NASA’s Solar Dynamics Observatory dari tahun 2017 hingga 2021, tim kemudian beralih ke osilasi surya global dengan periode panjang yang dapat dikenali sebagai gerakan pusaran di permukaan Matahari. Ilmuwan dari MPS melaporkan penemuan mereka tentang osilasi inersial tiga tahun yang lalu. Di antara mode yang diamati ini, mode lintang tinggi dengan kecepatan hingga 70 km per jam, terbukti sangat berpengaruh.

Untuk mempelajari sifat nonlinier dari osilasi lintang tinggi, dilakukan serangkaian simulasi numerik tiga dimensi. Dalam simulasi tim peneliti, osilasi lintang tinggi membawa panas dari kutub ke khatulistiwa matahari, yang membatasi perbedaan suhu antara kutub Matahari dan khatulistiwa menjadi kurang dari tujuh derajat. Perbedaan suhu yang sangat kecil antara kutub dan khatulistiwa mengendalikan keseimbangan momentum sudut di Matahari dan dengan demikian merupakan mekanisme umpan balik penting bagi dinamika global Matahari.

Dalam simulasi tersebut, tim peneliti untuk pertama kalinya menjelaskan proses penting dalam model tiga dimensi sepenuhnya. Upaya sebelumnya telah terbatas pada pendekatan dua dimensi yang mengasumsikan simetri tentang sumbu rotasi Matahari. Pencocokan simulasi nonlinier dengan observasi memungkinkan tim untuk memahami fisika osilasi jangka panjang dan peran mereka dalam mengendalikan rotasi diferensial Matahari.

Interior Matahari dan atmosfer Bumi memiliki fisika yang serupa

Osilasi lintang tinggi Matahari didorong oleh gradien suhu dengan cara yang mirip dengan siklon ekstratropis di Bumi. Fisikanya mirip, meskipun detailnya berbeda. Di Matahari, kutubnya sekitar tujuh derajat lebih panas dari khatulistiwa dan ini cukup untuk menggerakkan aliran sekitar 70 kilometer per jam di sebagian besar Matahari. Proses ini agak mirip dengan penggerakkan siklon.

Harapan besar

Penyelidikan fisika interior di dalam Matahari merupakan hal yang sulit. Penelitian yang dijelaskan pada artikel ini penting karena menunjukkan bahwa osilasi jangka panjang Matahari tidak hanya merupakan penyelidikan bermanfaat dari interior Matahari, tetapi juga memainkan peran aktif dalam cara kerja Matahari. Penelitian masa depan, yang akan dilakukan dalam kerangka ERC Synergy Grant WHOLESUN dan DFG Collaborative Research Center 1456 Mathematics of Experiments, akan bertujuan untuk lebih memahami peran osilasi ini dan potensi diagnostik.

Referensi:

[1] https://www.mps.mpg.de/long-period-oscillations-control-the-sun-s-differential-rotation diakses pada 29 Maret 2024

[2] Yuto Bekki, Robert H. Cameron, Laurent Gizon. The Sun’s differential rotation is controlled by high-latitude baroclinically unstable inertial modes. Science Advances, 2024; 10 (13) DOI: 10.1126/sciadv.adk5643