سفری به اعماق جهنم در جست‌وجوی اسرار مهم خورشیدی

ما تاکنون بهترین رصدها از یک ستاره را از خورشید خودمان داشته‌ایم و هر روز نور آن را می‌بینیم. برای قرن‌ها، دانشمندان لکه‌های تاریکی را که چهره درخشان خورشید را می‌پوشاندند، ردیابی کرده‌اند، در حالی که در دهه‌های اخیر، تلسکوپ‌ها در فضا و زمین پرتوهای خورشید را در طیف‌های مختلف طول موج‌های الکترومغناطیسی بررسی کرده‌اند. آزمایش‌ها همچنین جو خورشید را بررسی کرده، بادهای خورشیدی را دریافت کرده، نوترینوهای خورشیدی و ذرات پرانرژی را جمع‌آوری کرده و میدان مغناطیسی ستاره‌مان را ترسیم کرده‌اند. با این حال هنوز مناطق قطبی را که برای یادگیری در مورد ساختار مغناطیسی درونی خورشید حائز اهمیت هستند رصد نکرده‌ایم.

به نقل از کوانتامگزین، با وجود تمام این بررسی‌ها، یک سوال مهم به طرز شرم‌آوری هنوز حل نشده باقی مانده است. در سطح خورشید، دما ۶۰۰۰ درجه سانتیگراد است. اما لایه‌های بیرونی اتمسفر آن که تاج نامیده می‌شود می‌تواند به دمای یک میلیون درجه داغ‌تر از سطح برسند و این گیج‌کننده است.

این غلاف از گاز سوزان را می‌توان در طول یک خورشید گرفتگی کامل مشاهده کرد، همانطور که در روز هشتم آوریل در آسمان بخش‌های از آمریکای شمالی رویت شد. اگر در مسیر گرفتگی کامل بوده باشید، توانسته‌اید تاج خورشید را به صورت هاله‌ای درخشان در اطراف سایه‌ی ماه ببینید.

امسال، آن هاله متفاوت از هاله‌ای بود که در آخرین کسوف آمریکای شمالی در سال ۲۰۱۷ ظاهر شد. نه تنها خورشید اکنون فعال‌تر است، بلکه ما به ساختاری نگاه می‌کنیم که دانشمندانی که ستاره خانه خود را مطالعه می‌کنند، شناخته‌اند. رصد خورشید از راه دور به اندازه کافی خوب نبود برای اینکه بفهمیم چه چیزی باعث گرم شدن تاج می‌شود. برای حل این معما و دیگر معماها، ما به یک کاوشگر فضایی خورشیدی نیاز داشتیم.

این فضاپیما که کاوشگر خورشیدی پارکر ناسا نام دارد در سال ۲۰۱۸ پرتاب شد. اکنون همانطور که به دور خورشید می‌چرخد، در داخل و خارج تاج خورشیدی فرو می‌رود و داده‌هایی را جمع آوری می‌کند که به ما نشان می‌دهد چگونه فعالیت مغناطیسی در مقیاس کوچک در جو خورشید باعث می‌شود تاج خورشیدی تقریبا به طرز غیر قابل تصوری داغ شود.

از سطح تا غلاف

برای شروع درک سوزان بودن تاج خورشید، باید میدان‌های مغناطیسی را در نظر بگیریم.

موتور مغناطیسی خورشید به نام دینام خورشیدی، حدود ۲۰۰ هزار کیلومتر زیر سطح خورشید قرار دارد. همانطور که این موتور می‌چرخد، فعالیت خورشیدی را هدایت می‌کند که در طی دوره‌های تقریبا ۱۱ ساله کاهش و افزایش می‌یابد. هنگامی که خورشید فعال‌تر است، شراره‌های خورشیدی، لکه‌ها و فوران‌های خورشیدی در شدت و فرکانس افزایش می‌یابند. در حال حاضر نیز خورشید در دوره افزایش خود قرار دارد.

در سطح خورشید، میدان‌های مغناطیسی در مرزهای سلول‌های همرفتی انباشته می‌شوند و ظاهری شبیه به حباب‌هایی در ظرف روغن در حال جوش روی اجاق گاز به وجود می‌آید. سطح خورشیدی که دائما در حال جوشیدن است، آن میدان‌های مغناطیسی را در لبه سلول‌ها متمرکز و تقویت می‌کند. سپس آن میدان‌های تقویت‌شده، جت‌های گذرا و نانوشراره‌ها را هنگام تعامل با پلاسمای خورشیدی به فضا پرتاب می‌کنند.

میدان‌های مغناطیسی همچنین می‌توانند از سطح خورشید فوران کنند و پدیده‌هایی در مقیاس بزرگتر ایجاد کنند. در مناطقی که میدان قوی است، لکه‌های خورشیدی تیره و حلقه‌های مغناطیسی غول پیکر پدیدار می‌شود. در بیشتر نواحی، به‌ویژه در قسمت پایین تاج خورشیدی و نزدیک لکه‌های خورشیدی، این کمان‌های مغناطیسی «بسته» هستند و هر دو سر آنها به خورشید متصل است. این حلقه‌های بسته در اندازه‌های مختلفی وجود دارند. از کمان‌های کوچک گرفته تا کمان‌های شعله‌ور که در طول کسوف دیده می‌شوند.

در نواحی دیگر، چنین حلقه‌هایی باز می‌شوند. تاج سوزان خورشید منشأ باد خورشیدی مافوق صوت است و جریان‌هایی از ذرات باردار ایجاد می‌کند که حباب محافظ عظیمی را در اطراف منظومه شمسی به نام هلیوسفر، تشکیل می‌دهند که بسیار فراتر از سیارات شناخته شده می‌رود. این ذرات میدان‌های مغناطیسی را گاهی اوقات تا اعماق فضا با خود حمل می‌کنند. هنگامی که این اتفاق می‌افتد، حلقه مغناطیسی به لبه هلیوسفر کشیده می‌شود و میدان مغناطیسی «باز» را تشکیل می‌دهد.

ما می‌دانستیم که این فرآیندهای مغناطیسی باید به نوعی با هم کار کنند تا تاج خورشیدی را گرم کنند اما این فرآیند چگونه انجام می‌شود؟

در طول سال‌ها، دانشمندان توضیحات زیادی برای تاج فوق‌العاده داغ ارائه کردند. برخی این اتمسفر خورشیدی را به عنوان یک سیال در نظر گرفتند و انتقال گرما را در یک سیال توضیح دادند. برخی دیگر پیشنهاد کردند که امواج مغناطیسی که از سطح خورشید نشات می‌گیرند، دائما در حال تکان خوردن هستند و گرما را به درون جو می‌ریزند، یا اینکه در سطح ذرات، نوعی ناپایداری جنبشی در کار است.

در سال ۱۹۸۸، یوجین پارکر(Eugene Parker)، اخترفیزیکدان دانشگاه شیکاگو، استدلال کرد که همرفت در سطح خورشید می‌تواند میدان‌های مغناطیسی را که تا تاج امتداد یافته‌اند، درهم پپیچد و در نتیجه انرژی مغناطیسی را در جو خورشید ایجاد و ذخیره کند. او گفت که وقتی آن خطوط میدان به ناچار شکسته و دوباره به هم وصل شدند، انرژی مغناطیسی ذخیره شده به جو خورشید منتقل می‌شود. در آنجا، انرژی اتمسفر را تا دمای بالا گرم می‌شود و شراره‌های نانو ایجاد می‌شوند.

سفری به اعماق جهنم در جستجوی اسرار مهم خورشیدی

پارکر همچنین مسئول فرضیه‌ای از سال ۱۹۵۸ بود که نشان می‌داد تاج فوق‌گرم منبع باد خورشیدی است. اگرچه در آن زمان به طور گسترده مورد تمسخر قرار گرفت اما ایده او درست بود و تبدیل به اساسی برای حوزه هلیوفیزیک شد.

ایده پارکر منطقی بود، اما ما اطلاعات کافی برای تأیید یا رد هیچ یک از توضیحات، از جمله توضیحات او، نداشتیم. روش‌هایی که ما در مورد خورشید مطالعه می‌کردیم، در حد این چالش نبود.

امیدی تازه

نقطه عطف در سال ۲۰۰۵ رخ داد، زمانی که صدها دانشمند خورشیدی در ویستلر، بریتیش کلمبیا با یکدیگر ملاقات کردند.

تا آن زمان، جامعه خورشیدی بیشتر بر روی رصد از راه دور خورشید، توسط تلسکوپ‌های زمینی، موشک‌ها یا ماهواره‌هایی مانند سوهو SOHO متمرکز بود. سوهو ماموریتی است که توسط آژانس فضایی اروپا(ESA) پرتاب شده و هنوز در حال انجام است.

 از سوی دیگر، جامعه محققان باد خورشیدی مشغول جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل نمونه‌هایی از تاج گسترش‌یافته خورشید با استفاده از ماهواره‌هایی مانند کاوشگر پیشرفته ناسا بودند. هدف از این کنفرانس ادغام نتایج به دست آمده از این رصدخانه‌های جدید و بررسی این بود که آیا می‌توان معمای تاج داغ خورشید و نحوه سرعت گرفتن باد خورشیدی را درک کرد یا خیر.

در این مرحله، می‌دانستیم که مغناطیس خورشیدی به گونه‌ای رفتار می‌کند که انتظارش را نداشته‌ایم. داده‌های سوهو نشان داده بود که در سطح جهان، میدان مغناطیسی خورشیدی بسیار متغیرتر از آن چیزی است که ما تصور می‌کردیم. و ذرات متشکل از باد خورشیدی، همانطور که در نزدیکی زمین اندازه گیری شد، دارای الگوهای ترکیبی عجیبی بودند که اگر باد مستقیما از سطح خورشید نشات می‌گرفت، همانطور که پیش‌بینی شده بود، این داده‌ها معنا نداشت. به نظر می‌رسید که نوعی فعالیت مغناطیسی در اتمسفر خورشیدی باعث تولید آن باد و گرمای تاج خورشیدی می‌شود، اما ما مدلی برای توضیح نحوه عملکرد آن نداشتیم.

بحث‌ها طولانی و فشرده بود، اما آنها پایه و اساس یک تصمیم کلیدی را ایجاد کردند: نیاز مطلق به انجام مشاهدات نزدیک‌تر از خورشید با مأموریتی که کاوشگر خورشیدی نامیده می‌شد. مدلی از آن فضاپیما که می‌توانست در برابر سختی محیط نزدیک به خورشید مقاومت کند در جلوی اتاق جلسه قرار داشت و پس از چهار دهه فکر کردن در مورد آن، قرار بود آن را به واقعیت تبدیل کنیم. در سال ۲۰۱۷، ناسا این ماموریت به درخواست توماس زوبورشن به عنوان رئیس علوم، به نام یوجین پارکر تغییر نام داد و اکنون این کاوشگر خورشیدی پارکر بود.

لمس خورشید

یوجین پارکر شاهد پرتاب کاوشگر خورشیدی پارکر از کیپ کاناورال در سال ۲۰۱۸ بر فراز موشک دلتا IV هوی به آسمان بود. پس از پرواز، او از زوبورشن به خاطر افتخار قرار گرفتن نامش بر این کاوشگر تشکر کرد و در یک لحظه نادر گفت که فقط آرزو می‌کند برخی از آن همکارانی که ایده‌های او را به سخره گرفته‌اند و این تقریبا به قیمت پایان کارش تمام شده هنوز زنده باشند تا این لحظه را ببینند.

این کاوشگر چندین گذر از کنار سیاره زهره انجام داد تا با استفاده از میدان مغناطیسی آن به خورشید نزدیک‌تر شود و در روز ۲۸ آوریل سال ۲۰۲۱ برای اولین بار تاج خورشید را لمس کرد. اکنون این نزدیکترین فضاپیما به ستاره ما و سریع‌ترین جسم ساخته شده توسط انسان بود که تاکنون به فضا پرتاب شده است. در واقع، پارکر ماه گذشته برای هجدهمین بار از کنار خورشید با سرعتی عبور کرد که می‌توان با آن در عرض ۲۰ ثانیه از واشنگتن دی سی به لس آنجلس و در ۳۶ دقیقه از زمین به ماه رسید.

همانطور که انتظار می‌رفت، مشاهدات نزدیک به خورشید این کاوشگر برای درک ما از گرمایش تاج مهم بود. این مشاهدات، مشکل ما را با رمزگشایی اثرات مغناطیس بر باد خورشیدی بسیار نزدیک به آن حل کرد و به کلیدی برای یادگیری نحوه عملکرد تاج خورشید تبدیل شد.

از نزدیک زمین، باد خورشیدی مانند یک ماده سیال متلاطم به نظر می‌رسد که فقط در بزرگ‌ترین مقیاس‌ها به خورشید مربوط است. اما از نزدیک، ساختار آن به طور مستقیم ساختارهای روی سطح خورشید را منعکس می‌کند. پلاسمای خورشیدی نزدیک به خورشید به جای اینکه یک سیال نامنظم باشد، در جریان‌هایی که اغلب با اندازه‌های سلول‌های همرفتی روی سطح خورشید مطابقت دارند، به سمت بیرون می‌چرخد.

در طول هر چرخش در مدار خورشید، این فضاپیما از میان آن جریان‌ها گذر می‌کرد و اثرانگشتی از فعالیت مغناطیسی پیدا می‌کرد که به منبعی برای گرمای تاج اشاره داشت. این اثرات ساختارهای S شکلی بودند که زمانی شکل می‌گیرند که حلقه‌های مغناطیسی بسته با حلقه‌های مغناطیسی باز برخورد می‌کنند و به آن‌ها وصل می‌شوند. این رویداد به عنوان رویداد اتصال مجدد تبادلی شناخته می‌شود.

این رویدادهای اتصال مجدد، گرما تولید می‌کنند و مواد خورشیدی را به فضا می‌فرستند و بنابراین تاج را گرم می‌کنند و ذرات را در باد خورشیدی شتاب می‌دهند.

اگرچه برخی از دانشمندان کاملا متقاعد نشده‌اند که این مسئله حل شده است، اما اکنون این میدان نشان می‌دهد که توضیح پارکر در سال ۱۹۸۸ درست بوده است.

گرمایش تاج در نهایت به میدان‌های مغناطیسی در مقیاس‌های کوچک بستگی دارد. دانه‌های همرفتی روی سطح خورشید، میدان‌های مغناطیسی را در لبه‌های خود متمرکز می‌کنند و زنجیره‌ای از رویدادها را آزاد می‌کنند که از طریق فعل و انفعالات مغناطیسی بعدی در اتمسفر، منجر به باد خورشیدی مافوق صوت و دمای میلیون‌درجه‌ای می‌شود.

اواخر امسال، کاوشگر خورشیدی پارکر رکورد خود را خواهد شکست و حتی نزدیک‌تر به خورشید پرواز خواهد کرد. سفری دیگر به جهنم و بازگشت از آن، در جستجوی پاسخ های بیشتر برای اسرار مهم خورشید سوزان ما.