Bagaimana Para Ilmuwan Mengatasi Tugas Rumit dalam Memprediksi Siklus Matahari | Majalah Kuanta

Matahari tampak tidak berubah, bola lampu langit membosankan yang selalu menyala. Namun bola plasma bertenaga fusi ini terus berubah. Setiap 11 tahun atau lebih, ia berpindah antara tidur dan aktif, zaman sulit diatur yang ditandai dengan bintik matahari dan letusan matahari, seperti suar dan ledakan plasma.

Matahari kini mendekati tingkat aktivitas maksimumnya dalam siklus saat ini, dan perilakunya tidak berjalan sesuai rencana. Para ilmuwan telah memperkirakan bahwa siklus ini akan lemah, seperti siklus sebelumnya, namun matahari menunjukkan tingkat aktivitas yang belum pernah terlihat selama lebih dari 20 tahun. Pada bulan Juni dan Juli tahun ini, menurut data dari National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), rata-rata sekitar 160 bintik matahari setiap hari, lebih dari dua kali lipat dari perkiraan. Semburan api matahari juga meningkat.

Kesenjangan antara prediksi dan observasi sudah terlihat sejak Juli 2022 Nicola Fox — yang saat itu menjabat sebagai direktur divisi heliofisika NASA — tulis di situs NASA bahwa “Matahari jauh lebih aktif dalam siklus ini daripada yang diperkirakan.”

Prediksi siklus matahari yang andal kini menjadi lebih penting karena ketergantungan kita yang semakin besar terhadap teknologi yang rentan. Atmosfer bumi dipenuhi dengan aktivitas matahari dan meningkatkan hambatan (sangat banyak) satelit yang perlu bermanuver di orbit. Semburan sinar matahari dapat merusak peralatan elektronik, mengganggu sinyal radio, mengacaukan sistem GPS, dan mengganggu jaringan listrik.

Seperti kebanyakan prakiraan lainnya, tantangan dalam memprediksi siklus matahari sangatlah banyak. Fisika matahari tidak mengikuti pola yang jelas dari satu siklus ke siklus berikutnya – beberapa lebih pendek dari yang lain – dan fisika matahari masih merupakan disiplin ilmu yang relatif muda. “Kami ingin mengatakan bahwa kami tertinggal sekitar 60 tahun dari para peramal cuaca,” kata Robert Lemon, seorang fisikawan surya di Universitas Maryland.

Secara historis, para peneliti mencari korelasi statistik antara aktivitas matahari dan jumlah bintik matahari, total luas permukaannya, dan waktu kemunculannya. Namun konsensus ilmiahnya adalah bahwa teknik-teknik tersebut – meskipun sudah dimodernisasi – tidak mengungkapkan banyak tentang perilaku matahari di masa depan. Kini, didorong oleh pengamatan matahari yang lebih canggih, para ilmuwan mengevaluasi dan menyempurnakan metode yang menggunakan cara kerja matahari sebagai panduan.

Meskipun kemajuannya lambat – 11 tahun adalah waktu yang lama – mari kita lihat lebih dekat prediksi keadaan tata surya saat ini. 

Mengejar Bintik Matahari

Para ilmuwan secara tidak sengaja mulai melacak siklus matahari lebih dari 400 tahun yang lalu, ketika Galileo pertama kali mengamati bintik matahari di wajah matahari. Sekarang sudah jelas bahwa bercak-bercak hitam ini banyak terdapat pada saat matahari maksimum dan sebagian besar tidak ada pada saat matahari minimum. Saat ini, meski para ilmuwan terus meningkatkan pemahaman mereka tentang fisika yang mendorong osilasi tersebut, bintik matahari masih berfungsi sebagai perwakilan aktivitas matahari.

Pada tahun 1989, NASA dan NOAA mulai meminta panel prediksi siklus matahari untuk memperkirakan kekuatan dan waktu siklus matahari berikutnya. Untuk melakukan hal tersebut, panel ahli mengevaluasi prediksi yang dibuat oleh peneliti lain di lapangan. Prediksi ini biasanya menggunakan nilai yang disebut R — rata-rata jumlah bintik matahari selama 13 bulan (dihaluskan, atau diberi bobot, selama bulan ini ditambah enam bulan di kedua sisinya) — sebagai indikator aktivitas matahari.

Memaku R karena maksimum berikutnya dianggap sebagai puncak prediksi siklus matahari.

Namun, panel-panel tersebut tidak memiliki rekam jejak yang bagus. Dalam 2006, panel prediksi Siklus 24 memulai pertimbangannya; pada akhirnya, tim tidak dapat mencapai konsensus dan memperkirakan, secara tidak membantu, bahwa Siklus 24 akan menjadi sangat lemah atau sangat kuat. (Ternyata lemah.) “Mereka terbelah menjadi dua,” kata Lisa Upton, salah satu ketua panel prediksi Siklus 25 saat ini dan fisikawan surya di Southwest Research Institute. “Ada beberapa perdebatan sengit.”

Memprediksi Siklus 25 — yang dimulai pada Desember 2019 — tampak jauh lebih sederhana. Pada Maret 2019, Upton dan rekan-rekannya memperkirakan puncaknya akan terjadi pada Juli 2025 dengan rata-rata 115 bintik matahari. Mereka telah menyaring 61 prediksi dengan R nilai berkisar antara 50 hingga 229, namun mereka lebih menyukai kelas prediksi berdasarkan fisika matahari yang sebagian besar sesuai satu sama lain.

“Kami melakukannya dengan cukup mudah,” kata Upton. “Kami semua sepakat bahwa akan ada siklus yang cukup lemah.”

Matahari punya rencana berbeda.

Tanda-tanda Perubahan

Metode berbasis fisika modern hadir dalam dua bentuk. Kita mencari parameter fisik yang dapat diamati – disebut prekursor – yang menunjukkan kekuatan siklus yang akan datang. Yang lainnya menggunakan pemodelan komputer untuk menciptakan kembali fisika matahari dan memutarnya ke depan.

Di antara prekursor, prediktor paling sukses sejauh ini adalah kekuatan medan magnet di kutub matahari selama solar minimum – yang menjadi dasar perkiraan panel prediksi Siklus 25 saat ini. Saat Matahari tidak aktif, medan magnetnya berbentuk dipol, seperti magnet batang dengan ujung positif dan negatif. Kekuatan dipol mengatur proses yang pada akhirnya membalikkan polaritas medan magnet, sehingga menyebabkan siklus matahari. Para ilmuwan telah menemukan, selama bertahun-tahun, bahwa kekuatan medan kutub minimal berkorelasi kuat dengan kekuatan siklus yang akan datang.

Salah satu kendala dalam prediksi ini adalah bahwa medan kutub hanya diukur secara langsung selama empat siklus terakhir, sejak tahun 1976. Namun ada cara tidak langsung untuk mengukur kekuatannya, seperti aa-indeks, yang menggunakan gangguan pada medan magnet bumi sebagai proksi kekuatan medan kutub; yang telah diukur selama lebih dari 150 tahun — menawarkan kumpulan titik data lainnya.

“Dengan empat poin, korelasinya mungkin hanya sebuah kebetulan, tetapi begitu Anda mendapatkan 13 poin, itu tidak terlihat seperti sebuah kebetulan,” kata Robert Cameron, seorang fisikawan surya di Institut Max Planck untuk Penelitian Tata Surya di Göttingen, Jerman, yang merupakan bagian dari panel prediksi terakhir.

A New Hope

Baru-baru ini, sebuah penelitian yang dipimpin oleh Leamon dan Scott McIntosh dari Pusat Penelitian Atmosfer Nasional mengidentifikasi prekursor lain yang menjanjikan yang disebut peristiwa terminator. Saat itulah aktivitas magnet dari siklus sebelumnya lenyap dan digantikan oleh aktivitas magnet dari siklus baru.

Leamon dan McIntosh menemukan petunjuk dalam data historis yang menunjukkan bahwa waktu terjadinya terminator sesuai dengan kekuatan siklus baru: Terminator awal menghasilkan lebih banyak bintik matahari, dan dengan demikian siklus yang lebih kuat. Berdasarkan terminator terakhir, yang terjadi pada bulan Desember 2021, pasangan tersebut memperkirakan bahwa Siklus 25 akan mencapai maksimal 185 bintik matahari dan mencapai puncaknya pada Juli 2024, hampir setahun penuh lebih awal dari prediksi resmi.

“Saya tidak akan menertawakannya,” kata Leamon. “Tetapi [matahari] tentu jauh lebih aktif dibandingkan konsensus panel.”

Namun, salah satu keterbatasan dari sebagian besar metode prekursor adalah bahwa metode tersebut didasarkan pada nilai minimum matahari – para ilmuwan tidak dapat membuat prediksi baru sampai siklus tersebut akan segera dimulai. Itu sebabnya mereka terkadang mencari bantuan dari metode berbasis fisika yang mirip dengan model prediksi iklim yang kompleks. Simulasi komputer ini menggunakan dinamika fluida dan elektromagnetisme untuk menciptakan kembali fisika matahari; para ilmuwan kemudian memasukkan data observasi untuk mengantisipasi seperti apa medan kutub dan prekursor lainnya dalam beberapa tahun ke depan.

Logika yang Terkubur

Namun prediksi berbasis fisika hanyalah setengah dari perkiraan yang dianalisis panel Siklus 25. Selebihnya, meskipun saat ini mungkin kurang berhasil, dapat berguna di masa depan.

Strategi ini merupakan gabungan dari beberapa strategi, yang sebagian besar menggunakan siklus matahari sebelumnya untuk memprediksi jumlah bintik matahari saat ini. Metode seperti itu terkadang menemukan korelasi kuat antara bintik matahari dan hal-hal yang awalnya tampak acak, katanya Víctor Sánchez Carrasco, seorang fisikawan surya di Universitas Extremadura di Spanyol. Korelasi tersebut mungkin hanya kebetulan, katanya, namun ada juga kemungkinan korelasi tersebut memanfaatkan “beberapa fisika mendasar yang masih belum kita pahami.”

Dan fisikawan terus mencoba pendekatan baru, seperti menggunakan kecerdasan buatan atau jaringan saraf untuk mencari korelasi antara data bintik matahari selama berabad-abad. “Ada mistik yang terkait dengan rangkaian waktu yang begitu lama,” kata ahli astrofisika tersebut Eurico Covas, kolaborator dengan Institut Astrofisika dan Ilmu Luar Angkasa di Portugal.

Untuk saat ini, Upton masih menganggap prediksi panel tersebut belum mati. “Sepertinya siklus [kekuatan] mungkin sedikit lebih besar dari perkiraan kami, namun tidak lebih besar secara signifikan,” katanya. Dia mencatat bahwa kurva yang dihaluskan, setelah semua data masuk, mungkin tidak akan terjadi menyimpang secara dramatis sebagai rata-rata bulanan yang diplot NOAA. Dan berdasarkan evolusi siklus saat ini, Carrasco setuju bahwa Siklus 25 kemungkinan akan lebih kuat dari prediksi panel namun masih lebih lemah dari rata-rata. “Enam bulan ke depan adalah kunci untuk melihat ke mana arah Solar Cycle 25,” katanya.

Terlepas dari ketidakpastian ini, Leamon yakin bahwa fisikawan hampir mampu memberikan prediksi yang akurat. Pada tahun 2030, ketika panel berikutnya bersidang, “kita akan dapat menangani masalah ini dengan lebih baik,” katanya. “Ini akan menjadi siklus terakhir yang belum sepenuhnya kami pahami.”