Bagaimana penghitungan sunspot menyatukan masa lalu dan masa depan sains
Astronom paling sombong di Swiss pada pertengahan abad ke-20 adalah
Max Waldmeier , seorang spesialis dalam fisika matahari. Setelah pensiun pada 1980, rekan-rekannya begitu lega sehingga mereka hampir mengirim inisiatif yang dipimpinnya sebagai direktur Observatorium Zurich. Waldmeier bertanggung jawab atas praktik itu, yang berakar pada zaman Galileo, dan tetap menjadi salah satu praktik ilmiah terpanjang dalam sejarah: menghitung
bintik-bintik di Matahari.Observatorium Zurich adalah ibu kota dunia untuk menghitung bintik matahari: area gelap yang dingin di permukaan Matahari, di mana sirkulasi panas internal ditekan oleh medan magnet. Sejak abad ke-19, para astronom telah mengaitkan bintik matahari dengan
sinar matahari yang dapat mengganggu jalannya kehidupan di Bumi. Saat ini, para ilmuwan tahu bahwa bintik-bintik menandai area yang menciptakan medan elektromagnetik kolosal yang dapat mengganggu pekerjaan segalanya, mulai
dari sistem pemosisian global dan jaringan listrik hingga komposisi kimia atmosfer.
Apa yang mengusir pengikut potensial Waldmeier adalah permusuhannya terhadap metode yang berbeda dari miliknya. Di zaman antariksa, ia bersikeras pada metode manual penghitungan tempat menggunakan
refraktor Fraunhofer , dinamai menurut penemu abad ke-18, dan didirikan oleh direktur pertama Observatorium Zurich,
Rudolf Wolf pada 1849. Setelah Waldmeier pergi, asistennya, mengambil keuntungan dari ketidakpastian dalam pertanyaan warisan, mengambil dan memasang teleskop. Fraunhofer di kebunnya. Pengamatan otomatis dan pelacakan Matahari dari satelit adalah peningkatan yang jelas, serta kurang subyektif dari pandangan seseorang yang menyipit.
Namun, terlepas dari semua permusuhan terhadap Valdmeier, metodenya telah dipertahankan. Bintik-bintik muncul secara siklis. Jumlah mereka terus meningkat selama sekitar 11 tahun, diikuti oleh sekitar 11 tahun penurunan. Valdmeier menyadari bahwa penafsiran tidak dapat dikustomisasi karena kelambatan siklus yang melekat. "Prosesnya tidak bisa di-overclock," kata astronom Frederic Klett, direktur Pusat Analisis Data Pengaruh Surya di Observatorium Kerajaan di Belgia. "Untuk memahami matahari, perlu mencatat siklus dalam periode waktu yang lama."
Dan cara terbaik untuk menjaga kesinambungan data, Klett menjelaskan, adalah menggunakan metode pengamatan yang menghubungkan masa lalu dengan masa depan. Tidak seperti kebanyakan sains modern, mengikuti perkembangan teknologi, otak dan mata manusia tetap menjadi perangkat paling stabil untuk mendeteksi perubahan bintang yang memberi kita semua kehidupan.
"Teknologi dan peralatan modern mampu melakukan banyak hal, tetapi teknologi ini hanya ada untuk beberapa siklus matahari berturut-turut, sehingga mereka tidak menunjukkan perubahan dalam siklus selama berabad-abad," kata Klett, penjaga prosedur penghitungan titik global yang dimulai oleh Wolf di Zurich, yang sekarang dikenal, seperti
nomor sunspot Internasional atau
nomor Wolf . Di bawah pengawasan Klett, cacat masih dihitung secara manual. "Menghitungnya dengan mata, kita bisa menghubungkan apa yang kita lihat hari ini dengan apa yang kita lihat di masa lalu."
Ini adalah kisah yang luar biasa, kata Clett. Salah satu metode ilmiah yang berumur panjang adalah observasi sederhana. "Ini adalah evolusi yang panjang dan sistematis dari pengumpulan informasi yang mengarah pada pemahaman tentang fenomena bintik matahari, dan ceri pada kue adalah kesempatan untuk memprediksi masa depan."
Ini bekerja - jangan menyentuhnya: refraktor Fraunhofer, dinamai menurut penemunya abad XVIII, digunakan oleh para spesialis dalam fisika Matahari untuk menghitung titik-titik untuk sebagian besar abad XX.Pengamatan titik dimulai lebih awal dari astronomi modern, setidaknya selama tiga milenium. Karena Matahari adalah objek utama dari beberapa agama kuno, setiap titik dianggap sebagai fenomena penting. Bagi orang-orang Afrika kuno dari pantai-pantai di
Zambezi, bintik-bintik matahari adalah tanah di mana bulan yang cemburu menampar wajah matahari. Orang Cina kuno menganggap tempat sebagai blok bangunan dari istana terbang, atau bahkan sapuan kuas yang menentukan karakter raja.
Virgil mengambil pendekatan yang lebih praktis, memperingatkan dalam bahasa
Georgia :
Jika bintik-bintik mulai mengganggu api emas,
Semuanya - Anda akan melihat - maka itu akan mendidih bersamaan dengan angin
Dan awan
Galileo mempelajari bintik-bintik lebih ilmiah, dan menganggapnya sebagai tanda yang berguna untuk kalibrasi dalam studinya tentang cakram matahari. Dari pengamatan cermat dalam teleskop tentang perubahan harian dalam penampilan mereka, ia dengan tepat memutuskan bahwa Matahari itu bulat dan berputar di sekitar sumbunya, mentransfer cacat yang berubah. Tapi dari sudut pandangnya, bintik-bintik itu acak. Ini menyisakan banyak ruang untuk imajinasi. Filsuf Rene Descartes percaya bahwa bintik-bintik itu adalah lautan busa prasejarah. Astronom William Herschel percaya bahwa ini adalah lorong menuju dunia bunga matahari gelap, tempat orang hidup di bawah cangkang bintang yang terang.
Namun, ada satu astronom amatir yang hanya memiliki cukup pengamatan langit dan mencatat semua yang dilihatnya.
Heinrich Schwabe , yang bekerja sebagai apoteker, mulai mengamati Matahari pada tahun 1826, dan secara konstan terlibat dalam hal ini selama lebih dari 300 hari setahun selama empat puluh tahun. Awalnya, ia mencari planet yang belum ditemukan di dalam orbit Merkurius. Tidak menemukan sesuatu yang pasti, dia secara bertahap mulai mengamati permukaan Matahari yang terlihat.
Pada 1844, setelah menghitung puluhan ribu tempat, Schwabe yakin bahwa tempat itu memiliki siklus: jumlah bintik meningkat dan menurun setiap 10 tahun. Dia tidak punya penjelasan untuk ini, tetapi dia memutuskan bahwa orang lain mungkin belajar sesuatu yang berguna dari pengamatannya, jadi dia menerbitkan catatan satu halaman dalam jurnal Astronomische Nachrichten. Karyanya dibaca oleh Rudolf Wolf, direktur Berne Observatory yang berusia 30 tahun. Ketika Wolf menjadi direktur Observatorium Zurich pada tahun 1864, ia memutuskan untuk memilih siklus sunspot sebagai topik penelitian.
Wolf tidak puas dengan perhitungan hanya dari waktu ke waktu. Untuk menetapkan keberadaan siklus dan mengukurnya dengan benar, ia dengan bijaksana memutuskan untuk mengumpulkan data masa lalu - mulai dari Schwabe - dan mengintegrasikannya ke dalam pengamatan hariannya sendiri.
Masalahnya adalah bahwa jumlahnya tidak cocok. Angka itu tidak cocok bahkan ketika menghitung untuk satu hari, dilakukan ribuan kali dari tahun 1849 hingga 1868, hingga perhitungan Schwabe terakhir. Teleskop Fraunhofer secara signifikan lebih kuat daripada instrumen Schwabe lama, dan terlihat di dalamnya bahwa banyak tempat Schwabe sebenarnya adalah kelompok. Untuk mengimbangi ini, Wolf membuat dua keputusan penting. Yang pertama adalah mempertimbangkan kembali perhitungan Anda sendiri - pada kenyataannya, aktivitas relatif dari titik-titik itu sangat penting. Solusi kedua adalah membangun hubungan antara jumlah tempat yang dihitung olehnya dan Schwab ketika pengamatan mereka dilakukan pada hari yang sama. Dia mendapatkan koefisien, menyebutnya k, dan itu adalah faktor yang dapat diterapkan pada pengamatan Schwabe lama hingga 1849, secara statistik menggabungkannya dengan data Wolf baru.
Koefisien memungkinkan sesuatu yang lebih menarik. Berkat banyak pengamatan simultan, Wolf dapat menggunakan data Schwabe lama untuk mendapatkan koefisien k untuk ilmuwan lain, dan secara andal memperpanjang datanya pada jumlah tempat hingga 1700. Kemudian Wolf menciptakan seluruh jaringan penghitung titik di benua itu, dan penghitungan harian mereka, mulai dari nol hingga beberapa ratus, menjadi salah satu set data yang paling dapat diandalkan dalam astronomi.
Data menunjukkan bahwa Schwabe benar tentang siklus sunspot, tetapi bukan tentang durasinya. Pada awalnya, Wolf menceritakan periode ini pada 11 tahun, dan memutuskan bahwa ia telah menemukan alasannya: Jupiter hanya perlu 11 tahun untuk mengelilingi Matahari dalam orbitnya. Namun, semakin banyak siklus yang dia kumpulkan, semakin sedikit korelasi yang terlihat. Beberapa siklus berlangsung 14 tahun. Lainnya menurut 9. Karena periode orbit Jupiter tidak berubah, ilmuwan harus mengakui kekalahan.
Dia terus menghitung dengan keyakinan bahwa seseorang dengan data yang cukup akan dapat mengungkap mekanisme untuk munculnya bintik matahari. Dia percaya sampai kematiannya pada tahun 1893. Pada saat itu, asistennya Alfred Wolfer menghitung titik dengannya selama 17 tahun. Koefisien mereka memastikan transisi pengamatan yang lancar ke direktur Zurich Observatory lainnya, hingga Valdmeier yang arogan, yang mengembangkan klasifikasi evolusi tempat dan metode untuk memprediksi badai geomagnetik, yang secara serius memajukan ilmu surya.
Gambar yang menakjubkan dari bintik matahari menunjukkan tempat di mana magnetisme menekan pergerakan panas di matahari, konveksi matahari. Sunspots menandai area tempat kilasan kolosal meletus, memengaruhi GPS Bumi dan jaringan listrik.Jadi mengapa periode bintik hitam digantikan oleh periode matahari murni? "Sebenarnya, kami masih belum tahu persis tergantung pada frekuensi apa," aku Klett. Bahkan setelah 315 tahun pengumpulan data, mekanisme siklus bintik matahari belum sepenuhnya diterangi.
Namun, kemajuan signifikan telah dibuat sejak Schwabe, terutama di bidang efek suar matahari. Pada 1859, dua astronom amatir di jaringan pengamatan Wolf memperhatikan dua kilatan terang di dalam sekelompok bintik. Pada hari-hari berikutnya, pekerjaan telegraf terganggu, dan
lampu utara diamati di seluruh Eropa. Beberapa episode semacam itu meyakinkan para ilmuwan tentang hubungan fenomena ini, penjelasannya datang pada tahun 1908, ketika astronom
George Ellery Hale menggunakan spektroskop untuk menentukan sifat magnetik bintik matahari (magnet sedikit mempengaruhi spektrum warna). Cacat gelap Matahari akhirnya bisa dipahami. Mereka bukan busa prasejarah atau tanda-tanda populasi Matahari, tetapi area di mana magnetisme menekan pergerakan panas di Matahari, dalam proses yang dikenal sebagai konveksi matahari.
Hari ini, berkat fisika matahari, kita tahu bahwa siklus spot dikontrol oleh gerakan rotasi plasma di dalam matahari yang berputar. Karena plasma bermuatan listrik dan lapisan plasma berputar dengan kecepatan yang berbeda, bola Matahari berperilaku seperti dinamo, menghasilkan medan elektromagnetik ribuan kali lebih kuat daripada magnet kutub Bumi. Sirkulasi plasma yang menciptakan dinamo matahari dimodelkan pada superkomputer. Selama berabad-abad, data bintik matahari yang telah dikumpulkan telah membantu para ilmuwan memperbaiki dan memvalidasi model-model ini dengan menjalankan simulasi dan mengamati model mana yang paling dekat dengan frekuensi siklus berturut-turut yang bervariasi. Semakin sempurna modelnya, semakin baik kita memahami siklus sunspot.
Kebutuhan untuk menghitung bintik matahari, jelas Klett, hanya meningkat selama transisi dari telegraf ke satelit. "Jumlah tempat membantu membangun tren untuk bulan dan tahun mendatang untuk memprediksi frekuensi dan kekuatan gangguan," katanya. Royal Observatory of Belgium secara konstan menerima permintaan data dari perusahaan telekomunikasi dan energi. Maskapai penerbangan komersial juga bergantung pada tren bintik matahari, karena magnet matahari mempengaruhi kecepatan gelombang radio di ionosfer dan mendistorsi koordinat GPS. Jika cuaca cerah mendekati badai, pilot akan mengalihkan perhatian mereka ke alat navigasi lainnya.
Antara kehidupan Bumi dan bintik matahari, korelasi yang kurang dikonfirmasi juga diturunkan. Peneliti medis sedang mencoba menemukan hubungan antara magnet matahari dan kanker. Para ekonom melihat hubungan antara siklus matahari dan pertanian. Para ahli iklim ingin tahu apakah
zaman es kecil disebabkan oleh periode "titik terendah" - ketika hampir tidak ada bintik pada Matahari - seperti yang terjadi pada abad ke-18. Lukisan-lukisan pada masa itu menggambarkan orang-orang bermain skating di Sungai Thames dan Venesia.
Kemajuan dalam klimatologi sangat menarik. Diketahui bahwa radiasi matahari mengubah komposisi kimiawi dari lapisan atas atmosfer, dan bintik matahari memodulasi intensitas berbagai panjang gelombang - dari inframerah ke x-ray - membombardir planet kita. Dengan menghubungkan jumlah bintik-bintik dengan perubahan dalam spektrum matahari, ahli iklim akan segera dapat menentukan citra spektral Matahari selama minimum abad ke-18.
Wolf tidak akan pernah memikirkan aplikasi data seperti itu - ini akan menjadi pelajaran bagi Serigala lainnya saat ini dan di masa depan: solusi untuk salah satu masalah terpenting dalam sains modern - perubahan iklim global - akan tergantung pada data yang dikumpulkan jauh sebelum diketahui. "Saya pikir ini adalah inti dari penelitian ilmiah, di mana Anda mengamati fenomena baru yang tidak dapat Anda pahami," kata Klett. - Ini seperti membuka wilayah baru. Anda tahu bahwa Anda akan mendapatkan pengetahuan baru, bahkan jika itu tidak datang dari arah yang Anda harapkan. "
Penjelasan tentang siklus sunspot akan menjadi konfirmasi akhir dari gambit Wolf yang berusia berabad-abad. Tetapi sebagai juru kunci dalam penelitian sunspot, Klett bersukacita dengan terobosan lain: dia baru-baru ini menghubungi seorang pria yang mewarisi alat-alat Wolf dari asisten pengkhianat Waldmeier. Pengamatan menggunakan teleskop Fraunhofer tua lagi berkontribusi pada perhitungan bintik matahari internasional.
Delight Klett tidak terkait dengan sentimen, tetapi hanya mencatat peran utama Wolf dalam mengubah perhitungan tempat menjadi prosedur yang konsisten. "Saya bisa menentukan koefisien k dari teleskop ini," katanya. - Idealnya bertepatan dengan apa yang didefinisikan oleh Wolf pada abad ke-19 - dan ini adalah ketika Anda menganggap bahwa hari ini bukan Wolf yang terlibat dalam perhitungan. Kebetulan k adalah tanda bahwa sistem otak-mata tidak berubah dalam beberapa abad terakhir. "
Dan jika beberapa abad terakhir adalah indikator yang baik, maka pengamatan sederhana akan bermanfaat untuk waktu yang sangat lama. Penghitungan sunspot dapat menjadi model untuk penelitian apa pun yang membutuhkan pengumpulan data jangka panjang - seperti perubahan yang sulit dipahami dalam perilaku bintang kuno ribuan tahun sebelum menjadi supernova. Dibandingkan dengan studi supernova yang membutuhkan puluhan atau ratusan generasi, menghitung bintik matahari tampak sangat cepat.
Eksperimen jangka panjang semacam itu akan menjadi tantangan epik. Itu akan tergantung pada kelicikan statistik yang layak untuk Wolf, dan tradisionalisme keras kepala yang layak untuk Waldmayer. Tetapi untuk mencapai potensi tertinggi, Anda memerlukan pola pikir yang tenang seperti yang dimiliki Schwabe, yang tidak harus tahu persis apa yang akan mereka temukan dalam datanya - manfaatnya juga hanya dengan mengamati fenomena alam.