کاوش پارکر: نقشه مرز جو خورشیدی و رازهای باد خورشیدی

خورشید یک کوره ساده نیست؛ بلکه اقیانوسی پویا و مغناطیسی از پلاسماست که همچنان دانشمندان را به بحث و بررسی وا می‌دارد، مدل‌ها را بازنویسی می‌کند و گاهی صفحات کتاب‌های درسی را تغییر می‌دهد. نزدیک‌ترین گذرهای کاوشگر پارکر (Parker Solar Probe) به خورشید، داده‌های خامی از همسایگی نزدیک ستاره را در اختیار پژوهشگران گذاشته است — داده‌هایی که وادارمان می‌کنند برداشت‌های پیشین درباره چگونگی ربودن و توزیع انرژی توسط باد خورشیدی را بازنگری کنیم. حسگرهای لبه خورشید در سرتاسر فضاپیما می‌توانند تشخیص دهند که آیا دریافت نور خورشید بیش از حد ایمن شده است یا نه. اگر یکی از این حسگرها نور بیش از حد دریافت کند، سیستم فضاپیما تصمیم می‌گیرد چگونه بهترین مانور را برای انتقال به موقعیتی امن‌تر انجام دهد. این سامانه‌های حسگری و کنترل حرارتی برای حفاظت از ابزارهای حساس و تداوم جمع‌آوری داده‌های علمی حیاتی هستند.

کاوش «نقطهٔ بی‌بازگشت»

چگونه جریانی از ذرات باردار که در نزدیکی سطح قابل رویت خورشید متولد می‌شود، به‌گونه‌ای دگرگون می‌گردد که با دور شدن از ستاره سریع‌تر و داغ‌تر می‌شود؟ این پارادوکس — لایه‌های نسبتاً سرد‌تر در پایین و کرونا فوق‌العاده داغ در بالا — سال‌ها دانشمندان خورشیدی را به چالش کشیده است. کاوشگر پارکر نه فقط روی سطح این معما اسکیم می‌کند؛ بلکه مستقیماً به ناحیه‌ای فرو می‌رود که باد خورشیدی از چنگال مغناطیسی ستاره می‌گریزد. تصویری که از این مرز می‌سازیم، فراتر از یک خط روی نمودار است: جایی است که خطوط میدان مغناطیسی می‌پیچند، امواج در میان ذرات باردار ریزش می‌کنند و انرژی گاهی به‌شدت از میدان‌ها به ذرات منتقل می‌شود.

این ناحیه تنها یک مرز ترسیمی نیست؛ محل رخداد فرآیندهای فیزیکی پیچیده‌ای است که شامل آشفتگی‌های مغناطیسی، نوسانات موجی و تعاملات رزونانسی موج-ذره می‌شود. در گذرهای نزدیک پیاپی که تا نزدیک‌ترین ملاقات در شب کریسمس 2024 ادامه یافت — زمانی که فضاپیما تا حدود 3.8 میلیون مایل (تقریباً 6.1 میلیون کیلومتر) از سطح خورشید نزدیک شد — پارکر محیط پلاسما را با وضوحی بی‌سابقه نمونه‌برداری کرد. این اندازه‌گیری‌ها جزئیاتی از سرعت ذرات، جهت‌گرایی جریان‌ها و توزیع انرژی نشان دادند که فرضیات ساده‌شدهٔ پیشین قادر به بازنمایی آن نبودند. این داده‌های درون‌میدانی (in situ) برای فهم فرآیندهای گرمایش پیوسته و انتقال انرژی در باد خورشیدی حیاتی‌اند.

این تصویر هنری مرز اتمسفر خورشیدی را نشان می‌دهد که نقطهٔ بی‌بازگشت برای ماده‌ای است که از چنگال مغناطیسی خورشید می‌گریزد. فرو رفتن‌های عمیق در این ناحیه با استفاده از کاوشگر پارکر ناسا به همراه اندازه‌گیری‌های باد خورشیدی از فضاپیماهای دیگر به دانشمندان اجازه داده تا تکامل این ساختار را در طول سیکل خورشیدی دنبال کنند و نقشه‌ای از این مرز پیش‌تر ناشناخته تهیه کنند. این نقشه‌برداری، پایه‌ای برای مدل‌سازی بهتر میدان‌های مغناطیسی، پراکندگی انرژی و پیش‌بینی رفتار باد خورشیدی در فواصل مختلف از خورشید فراهم می‌آورد.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

کشف موج های پیچشی آلفون در کرونا خورشیدی و پیامدها

دانشمندان نوعی موج کوچک و پیچشی از خانواده موج‌های آلفون را در کرونأ خورشیدی شناسایی کرده‌اند...

از توزیع‌های خام ذرات تا فیزیک واقعی

تا پیش از این، بیشتر مدل‌ها جمعیت‌های ذرات را به شکل‌های مرتب و ایده‌آل‌شده در نظر می‌گرفتند — تسهیل‌های ریاضی که حل معادلات را ساده می‌کنند اما واقعیتِ نامنظم را از دست می‌دهند. رویکرد جدید وارونهٔ این روش است: پژوهشگران توزیع‌های سرعت واقعی اندازه‌گیری‌شده توسط فضاپیما را تحلیل می‌کنند. این تفاوت مهم است، زیرا شیوهٔ انتقال انرژی از امواج الکترومغناطیسی به ذرات وابسته به همین جزئیات ریز و پیچیده توزیع‌ها است؛ جزئیاتی که می‌توانند تعیین کنند چه گونه ذرات الکترون، پروتون و یون‌های سنگین انرژی دریافت می‌کنند.

کریستوفر کلاین (Kristopher Klein)، که رهبری تحلیل را برعهده داشته است، تغییر رویکرد را بدین‌گونه توضیح می‌دهد: «ما مدت‌ها گرمایش پیوسته در باد خورشیدی در حال انبساط را حدس می‌زدیم، اما اندازه‌گیری مستقیم چگونگی وقوع آن در نزدیکی خورشید بحث را دگرگون می‌کند.» تیم او ابزار عددی جدیدی به نام ALPS ساخته‌اند — مخفف Arbitrary Linear Plasma Solver — که توزیع‌های ذرات را همان‌گونه که هستند می‌خواند و بررسی می‌کند چگونه امواج در آن پلاسما انتشار می‌یابند و میرایی پیدا می‌کنند. استفاده از ALPS به معنای آن است که می‌توان نرخ‌های واقعی جذب انرژی و مکانیزم‌های میرایی را براساس داده‌های درون‌میدانی تعیین کرد، نه صرفاً بر پایهٔ فرضیات انتزاعی.

واژهٔ «میرایی» (damping) مکرراً بازمی‌گردد زیرا به یک نکتهٔ کلیدی اشاره دارد. وقتی ذرات از خورشید دور می‌شوند، انتظار می‌رود به‌سرعت سرد شوند صرفاً به‌دلیل انبساط در فضا. اما داده‌های پارکر نشان می‌دهد که سرد شدن خیلی آهسته‌تر رخ می‌دهد — نشانه‌ای از آنکه امواج و بی‌ثباتی‌ها در مسیر جریان، انرژی خود را به ذرات واریز می‌کنند. ALPS به دانشمندان امکان می‌دهد آن واریز انرژی را کمی‌سازی کنند، ردیابی کنند کدام گونه‌های ذرات (الکترون‌ها، پروتون‌ها، یون‌های سنگین‌تر) چه مقدار انرژی به‌دست می‌آورند و از طریق چه مکانیزم‌هایی (مانند رزونانس‌های موج-ذره، بازترکیب مغناطیسی یا آبشاری آشوبناک) این انتقال انجام می‌شود. این تحلیل‌ها کلید فهم فرآیندهای گرمایش کرونایی و نحوه شکل‌گیری ویژگی‌های سرعتی و حرارتی باد خورشیدی هستند.

چرا این یافته‌ها برای زمین اهمیت دارد

اغواکننده است که این یافته‌ها را تنها به‌عنوان جزئیات دوردست اخترفیزیکی قلمداد کنیم؛ اما این‌طور نیست. هلیوسفر — حبابی که جریان خروجی خورشید ایجاد می‌کند — آب‌وهوای فضایی را در سراسر منظومهٔ شمسی تنظیم می‌کند. فوران‌های جرمی کرونایی (Coronal Mass Ejections)، انفجارهای ناگهانی مغناطیسی که میلیاردها تُن پلاسما را پرتاب می‌کنند، در این میان حرکت می‌کنند. نحوهٔ گرم شدن و هدایت انرژی توسط باد خورشیدی تعیین می‌کند که آن فوران‌ها با چه سرعتی و تا چه فاصله‌ای حرکت می‌کنند و زمانی که به میدان‌های مغناطیسی سیارات می‌رسند چگونه با آن‌ها تعامل خواهند داشت.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

نقشه برداری مرز آلفوِن خورشیدی در مشاهدات نزدیک پارکر

مشاهدات نزدیک و جدید از کاوشگر ناسا، Parker Solar Probe، نشان می‌دهد که سطح آلفوِن خورشید...

«فهمیدن اتمسفر خورشید توانایی ما را در پیش‌بینی چگونگی گسترش فوران‌ها در منظومهٔ شمسی بهبود می‌بخشد»، کلاین اشاره می‌کند و علم پایه را به ریسک‌های دنیای واقعی پیوند می‌دهد: اختلال در عملکرد ماهواره‌ها، افت کیفیت ارتباطات رادیویی و افزایش مواجههٔ پرتوهای کیهانی برای هواپیماهای پرواز بلندمرتبه. مدل‌های فیزیکی بهتر می‌تواند عدم قطعیت در پیش‌بینی‌های آب‌وهوای فضایی را کاهش دهد، که این برای اپراتورهای ماهواره، شبکه‌های برق و مسیرهای هوایی نزدیک قطب اهمیت زیادی دارد؛ زیرا هشدارهای زودهنگام قابل‌اطمینان می‌تواند آسیب‌ها را کاهش دهد.

قیدهای جدید، معماهای تازه

مشاهدات پارکر همهٔ پرسش‌ها را پاسخ نمی‌دهند — بلکه آن‌ها را دقیق‌تر می‌کنند. تیم دریافت که پراکندگی انرژی در باد نزدیک خورشید نه یکنواخت است و نه ساده برای دسته‌بندی. برخی مودهای موجی انرژی را به‌طور بسیار کارآمد به گونه‌هایی از یون‌ها منتقل می‌کنند؛ برخی دیگر گرمایش تدریجی و توزیع‌شده ایجاد می‌کنند. سرد شدن آهسته یا میرایی مشاهده‌شده در دماهای ذرات نشان‌دهندهٔ ترکیبی از تعاملات رزونانسی موج-ذره و فرآیندهای آبشاری آشوبناک (turbulent cascade) است. باز کردن گرهٔ این سهم‌ها نیاز به گذرهای بیشتر کاوشگر، آمار بهتر و مقایسه و کالیبراسیون متقابل با تلسکوپ‌های ریموت‌سنسینگ و فضاپیماهای دورتر در هلیوسفر دارد.

یک نتیجهٔ مهم برای اخترفیزیک فراتر از منظومهٔ شمسی نیز وجود دارد. پلاسماها و میدان‌های مغناطیسی نقش اساسی در پدیده‌هایی از دیسک‌های برافزایشی اطراف سیاه‌چاله‌ها تا گاز پخش‌شده بین ستارگان ایفا می‌کنند. اگر بتوانیم روندهای فروپاشی انرژی در پلاسمای خورشیدی — محیطی که می‌توانیم از نزدیک به آن دسترسی داشته باشیم و اندازه‌گیری کنیم — را با دقت تعیین کنیم، آن‌گاه می‌توانیم آن فهم را به شرایطی انتقال دهیم که اندازه‌گیری مستقیم ممکن نیست. این «انتقالِ دانش» از خورشید به سیستم‌های دوردست یکی از مزایای کلیدی پژوهش‌های درون‌میدانی است.

ماموریت و روش‌ها

کاوشگر پارکر که در سال 2018 پرتاب شد، در مدار پیچیده‌ای قرار دارد که از کمک‌های گرانشِ ونوس برای کوچک‌تر کردن حضیض مداری (perihelion) به‌صورت تدریجی استفاده می‌کند. هر گذر نزدیک اندازه‌گیری‌های سرعت ذرات، نوسانات میدان مغناطیسی و طیف امواج را پالایش می‌کند. ترکیب ابزارهای ذره‌ای در محل (in situ) با حسگرهای مغناطیسی و حل‌کنندهٔ ALPS به تیم اجازه می‌دهد تا شمارش‌های خام و اندازه‌گیری‌های میدانی را به نرخ‌های گرمایش و تخمین‌های تبادل تکانه تبدیل کنند. این شیوهٔ تبدیل داده‌های خام به مقادیر فیزیکی قابل‌تفسیر، بنیاد توسعهٔ مدل‌های قابل‌قبول برای توجیه مشاهدات است.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

لکه های خورشیدی: معمای دیرینه در فیزیک خورشیدی

لکه‌های خورشیدی: معمای تاریخی در فیزیک خورشیدی بیش از چهار قرن است که لکه‌های خورشیدی—نواحی تیره...

این ابزارها به دانشمندان اجازه می‌دهند نظریه‌های رقیب را آزمایش کنند: آیا گرمایش تحت سلطهٔ میرایی بدون برخورد امواج پلاسمایی است، یا رویدادهای بازترکیب مغناطیسی که ذرات را به مسیرهای جدید پرتاب می‌کنند نقش اصلی را دارند، یا آبشاری‌های آشوبناک که انرژی را از جنبش‌های مقیاس بزرگ به مقیاس‌های میکروسکوپی می‌برند؟ پاسخ در عمل ترکیبی از این مکانیزم‌هاست، با اهمیتی نسبی که با فاصله از خورشید و شرایط پس‌زمینهٔ پلاسما تغییر می‌کند. بنابراین مدل‌های دقیق‌تر باید چندکاناله باشند و شرایط مرزی و توزیع‌های ذرات را به‌صورت واقع‌گرایانه در نظر بگیرند.

دیدگاه کارشناسان

«این اندازه‌گیری‌ها ما را از فراتر از تقریب‌ها برده و واقعا با جریان انرژی در یک پلاسمای بدون برخورد روبه‌رو می‌کنند»، می‌گوید یک هلیوفیزیک‌دان ارشد خیالی، دکتر النا رامیرز، که در تفسیر داده‌های پارکر همکاری می‌کند. «کرونا را مانند بازاری شلوغ تصور کنید که در آن امواج و ذرات مدام به هم برخورد می‌کنند — اما نه با برخوردات مستقیم مثل مولکول‌های گاز. در عوض آن‌ها از طریق رزونانس‌ها و میدان‌ها انرژی را مبادله می‌کنند. ALPS مجموعه‌ای از گوش‌های جدید است که به آن نجواها گوش می‌دهد.» تشبیه او زیرِ اهمیت نمونه‌برداری مستقیم در نزدیکی منبع را نشان می‌دهد: تعاملاتی که از مدار زمین ناچیز به‌نظر می‌رسیدند، در مجاورت خورشید آشکار و قابل‌اندازه‌گیری می‌شوند.

پیامدها و گام‌های بعدی

مزایای عملی هم‌اکنون آشکار شده‌اند. مدل‌های بهبود‌یافته می‌توانند حاشیهٔ خطا در پیش‌بینی‌های آب‌وهوای فضایی را کاهش دهند و هشدارهای زودهنگام برای اپراتورهای ماهواره و شرکت‌های برق را قابل‌اعتمادتر کنند. از دید علمی، یافته‌ها نیازمند نظریه‌های دقیق‌تر دربارهٔ جفت‌شدن موج-ذره و شرایطی است که تحت آن کانال‌های مختلف تخلیهٔ انرژی غالب می‌شوند. این پژوهش‌ها همچنین بر اهمیت ایجاد شبکه‌های سنجش ترکیبی تاکید می‌کنند: کنار هم گذاشتن داده‌های درون‌میدانی پارکر، اندازه‌گیری‌های ریموت از خوروناگراف‌ها و مدل‌های عددی، تصویری سه‌بعدی و دینامیکی از هلیوسفر فراهم می‌آورد.

کاوشگر پارکر در سال‌های آینده به فرو رفتن‌های عمیق‌تر خود ادامه خواهد داد، در حالی که رصدخانه‌های زمینی و مداری دیدهای مکملی از کرونا و هلیوسفر در حال توسعه ارائه می‌دهند. گردآوری این مجموعه‌داده‌ها مانند ساختن تصویری استریوسکوپیک از تصویری که پیش‌تر صاف و تار بود — ناگهان ساختارها و حرکت‌هایی که پیش‌تر حدس‌وار بودند به کمیت‌های قابل‌اندازه‌گیری تبدیل می‌شوند. این پیشرفت‌ها نه تنها درکی بنیادی از فیزیک پلاسما به ما می‌دهند، بلکه توانایی ما را در کاهش خطرهای مرتبط با آب‌وهوای فضایی افزایش می‌دهند.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

پیگیری تأثیرات حفره های تاج خورشیدی بزرگ بر زمین توسط دانشمندان

دانشمندان تأثیر حفره بزرگ تاج خورشیدی بر زمین را رصد می‌کنند اخیرا یک حفره وسیع در...

و میزان اهمیت آن‌ها بالاست: خورشید عرصهٔ نمایش هر ذرهٔ باردار در همسایگی سیاره‌ای ما را تعیین می‌کند. اگر نقشه‌های جدید این صحنه را به‌دقت بخوانیم، دیگر از «امکانات» که خورشید برای ما رقم می‌زند شگفت‌زده نخواهیم شد و می‌توانیم بهتر آمادهٔ پیامدهای احتمالی شوک‌های فضایی باشیم.