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

Sarbani Basu, William J. Chaplin+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2026

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 0

一句话总结

本论文使用 BiSON 的低阶 p 模态频率来探测太阳在四个极小期之间的微小、边缘显著性结构变化，cycle 23/24 的极小期显示出最大的 He II 不连续性震幅并且近表层声速略有提高。

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.

研究动机与目标

• 使用 BiSON 的低阶 p 模态频率来评估太阳在四个连续极小期之间的结构差异。
• 定量化各极小期之间在 He II 电离区的信号差异，作为近表层结构变化的代理。
• 通过极小期之间的频率反演推断外部太阳内部声速平方的变化。
• 将观测到的频率差与基于模型的扰动进行比较，以解释潜在的结构原因。

提出的方法

• 从四个两年极小期的 BiSON 时间序列中提取低阶（l=0–3）p 模态频率。
• 在去除离群值和较大不确定性后，计算极小期之间与参考极小期（23/24）之间的频率差。
• 在二阶差分中拟合 He II 声学不连续信号以量化各极小期之间的振幅变化。
• 将观测到的差异与具有不同近表层结构（如不同 Z/X、状态方程）的太阳模型的频率差进行比较。
• 对频率差进行反演，以推断半径的声速平方的相对变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 太阳极小期在低阶 p 模态频率中是否可检测到近表层太阳结构的变化？
• RQ2 He II 电离区的信号振幅在极小期之间是否不同，以及它如何与磁活动代理变量相关？
• RQ3 观测到的极小期—极小期频率差是否可以通过近表层结构的扰动模型来解释？
• RQ4 频率反演揭示了在 0.92–0.97 R_sun 范围内太阳声音速度的径向变化？
• RQ5 是否存在循环极性影响极小期之间内部结构变化的证据？

主要发现

• 在 23/24 极小期时 He II 不连续性振幅最大（1.033±0.027 μHz），与其他极小期相比（≈0.81–0.87 μHz）。
• 极小期之间的频率差相对于 23/24 极小期显示出较小且边际显著的差异（24/25 相对于 23/24 为 2.5σ）。
• 反演结果指示相对于 23/24 的声速平方存在较小但总体为负的变化，最明显的区域在约 0.92–0.97 R_sun。
• cycle 23/24 极小期在太阳活动代理中最为低深，与近表层层层磁通量较低、气体压力和声速较高一致。
• 模型比较显示频率差可以被近表层结构的变化所模仿，但解并非唯一，取决于所选扰动。
• 结果支持在其他太阳型恒星上使用恒星震学方法研究与活动周期相关的结构差异。