[논문 리뷰] The seismic diversity of four successive solar cycle minima as observed by the Birmingham Solar-Oscillations Network (BiSON)

Sarbani Basu, William J. Chaplin외 4명|arXiv (Cornell University)|2026. 02. 09.

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한 줄 요약

본 논문은 BiSON 저차 p-모드 주파수를 이용해 네 차례 태양 최소 사이의 태양 구조에서 작고 경계적으로 유의한 변화를 검출하고, cycle 23/24 최소에서 He II 글리치 진폭이 가장 크고 표면 근처 음향 속도가 약간 더 높은 것을 보인다.

ABSTRACT

We have used data collected by the Birmingham Solar-Oscillations Network (BiSON) to perform a helioseismic diagnosis of changes to the Sun's internal structure between four successive solar cycle minima, beginning with the minimum at the end of cycle 21 and ending with the recent minimum at the beginning of cycle 25. The unique duration of the BiSON database makes such a study possible. We used the low-degree BiSON p-mode frequencies to constrain structural changes between minima in the layers above $\approx 0.9 R_{\odot}$. We accomplished this by examining variations in the HeII ionisation zone signature; and by inverting the frequency differences to infer changes in the sound speed. Additionally, we employed frequency differences between various solar models that had subtle modifications to their internal structures to facilitate analysis of the observations. We find evidence for small, but marginally significant, changes in structure between different minima. The HeII signature was larger, and the sound speed in the range $\approx 0.93$ to $0.97 R_{\odot}$ was slightly higher, during the cycle 23/24 minimum, than during the other minima. The cycle 23/24 minimum was the deepest, as measured by proxies of global solar activity. These findings are consistent with magnetic flux levels having been lower in this minimum than the others, resulting in a higher gas pressure, higher temperatures, and higher sound speed. Our results demonstrate the potential of using asteroseismic data to perform similar analyses on other solar-type stars.

연구 동기 및 목표

• BiSON 저차도(p-모드, l=0–3) 주파수를 사용해 연속 네 차례의 태양 최소 사이의 태양 구조 차이를 평가한다.
• 최소들 간의 He II 전하화 영역의 서명 차이를 근접 표면 구조 변화의 대리 변수로 양적화한다.
• 최소들 간의 주파수 역산을 통해 외부 태양 내부의 음속 제곱의 상대적 변화를 반지름에 따라 추론한다.
• 모델 기반의 섭동과 관측 주파수 차이를 비교해 가능한 구조적 원인을 해석한다.

제안 방법

• 네 차원의 2년 최소 구간에 대한 BiSON 시간선에서 저차도(p-모드, l=0–3) 주파수를 추출한다.
• 이상치 및 큰 불확실성을 제거한 후 최소들 간의 주파수 차이를 기준 최소(23/24)와 비교한다.
• 두 번째 차분에서 He II 음향 글리치 서명을 맞춰서 최소들 간의 진폭 변화를 정량화한다.
• 가장자리 근처 구조가 다른 태양 모델(예: 다른 Z/X, 상태 방정식)을 사용해 관측된 차이가 어떤지 비교한다.
• 주파수 차이의 역산을 수행하여 반지름에 따른 음속 제곱의 상대적 변화를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양 최소가 저차 p-모드 주파수에서 보이는 근표면 구조의 변화가 검출 가능한가?
• RQ2 최소들 사이의 He II 이온화 영역 서명이 각기 다를까, 그리고 이것이 자기 활동 프록시와 어떻게 관련되는가?
• RQ3 관측된 최소 간 주파수 차이가 섭동된 태양 모델로 설명될 수 있는가?
• RQ4 0.92–0.97 R_sun 구간에서 최소들 사이의 주파수 역산이 태양의 음속 제곱의 반경 의 변화를 어떻게 밝히는가?
• RQ5 주기 극성(polarity)이 최소들 사이의 내부 구조 변화에 영향을 미친다는 증거가 있는가?

주요 결과

• The He II glitch amplitude was largest during the 23/24 minimum (1.033±0.027 μHz) compared with other minima (≈0.81–0.87 μHz).
• Frequency differences between minima show small, marginally significant differences with respect to the 23/24 minimum (2.5σ for 24/25 vs 23/24).
• Inversions indicate small but predominantly negative changes in the squared sound speed relative to 23/24, most pronounced around 0.92–0.97 R_sun.
• The cycle 23/24 minimum was deepest in solar activity proxies, consistent with lower magnetic flux and higher gas pressure and sound speed in the near-surface layers.
• Model comparisons show that frequency differences can be mimicked by near-surface structural changes, but solutions are non-unique and depend on the chosen perturbations.
• The results support using asteroseismic approaches on other solar-type stars to study cycle-related structural differences.