صدای خورشید و راز جابه جایی انرژی مغناطیسی درون آن

اگر صبور باشید و ابزارهای درست را تنظیم کنید، می‌توانید به صدای خورشید گوش بدهید. نزدیک به ۴۰ سال است که شبکه‌ای جهانی از طیف‌سنج‌ها دقیقاً همین کار را انجام می‌دهد: اندازه‌گیری موجک‌های بسیار ظریف در نور خورشید که حرکت‌های درونی این ستاره را آشکار می‌کنند. داده‌های طولانی‌مدت اکنون نشان می‌دهند که مسئله فقط ضعیف‌تر یا قوی‌تر شدن ساده فعالیت خورشیدی نیست، بلکه بازآرایی محل تجمع انرژی مغناطیسی در زیر شیدسپهر است.

گوش دادن به یک ستاره: روش‌های پشت این کشف

این روش «خورشیدلرزه‌شناسی» نام دارد. همان‌طور که امواج لرزه‌ای در زمین حرکت می‌کنند، امواج صوتی نیز در خورشید پیش می‌روند و سطح آن را به نوسان درمی‌آورند. این نوسان‌ها در باندهای فرکانسی مشخصی دیده می‌شوند که به نام نوسان‌های فشاری شناخته می‌شوند و لایه‌های مختلف عمق خورشید را کاوش می‌کنند. مُدهای کم‌فرکانس لایه‌های عمیق‌تر را نمونه‌برداری می‌کنند، در حالی که مُدهای پرفرکانس به چند صد تا هزار کیلومتر بیرونی حساس‌ترند.

شبکه نوسان‌های خورشیدی بیرمنگام، یا بایسون، از دهه ۱۹۷۰ این نوسان‌ها را پایش کرده است. بایسون با شش طیف‌سنج که در نقاط مختلف جهان قرار گرفته‌اند، تقریباً به‌طور پیوسته جابه‌جایی‌های دوپلری بسیار ظریف در نور خورشید را که بر اثر امواج صوتی درون خورشید ایجاد می‌شود زیر نظر دارد. گروه پژوهشی پشت این تحلیل تازه، نزدیک به چهار دهه داده سرعت دوپلری را که چرخه‌های خورشیدی ۲۲ تا ۲۵ را در بر می‌گیرد گردآوری کرد و داده‌های نوسانی را به سه باند فرکانسی کم، میانی و زیاد تقسیم کرد.

چرا باید فرکانس‌ها را جدا کرد؟ چون امواج با زیر و بم متفاوت، به لایه‌های متفاوتی می‌رسند و از آن‌ها اثر می‌پذیرند. پژوهشگران با مقایسه این نشانه‌های درونی با شاخص‌های آشنای سطحی، مانند شمار لکه‌های خورشیدی و اندازه‌گیری‌های گسیل رادیویی، می‌توانند بررسی کنند که آیا رفتار درونی و بیرونی خورشید همچنان به‌طور تنگاتنگ به هم وابسته است یا این رابطه در حال تغییر است.

جابجایی‌های آشکار شده: فعالیت مغناطیسی به سطح نزدیک‌تر می‌شود

نتیجه شگفت‌انگیز بود. شاخص‌های سطحی در چرخه‌های اخیر عموماً از افت فعالیت خبر داده‌اند، چرخه ۲۴ از نظر لکه‌های خورشیدی و برخی باندهای تابشی به‌طور محسوسی ضعیف بود و برخی انتظار داشتند چرخه ۲۵ نیز همین روند را ادامه دهد. با این حال، نوسان‌های پرفرکانس، یعنی همان‌هایی که کم‌عمق‌ترین لایه‌های زیرسطحی را حس می‌کنند، رفتاری شبیه چرخه‌های قدیمی‌تر و فعال‌تر نشان دادند. به بیان کوتاه: جو بیرونی خورشید آرام‌تر به نظر می‌رسد، اما بخش درونی بسیار نزدیک به سطح، پرانرژی‌تر شده است.

مقایسه فعالیت خورشید در اوج چرخه خورشیدی، سمت چپ، تصویربرداری‌شده در سال ۲۰۱۴، با کمینه بسیار آرام‌تر خورشیدی، سمت راست، تصویربرداری‌شده در سال ۲۰۱۹. 

پژوهشگران این الگو را به‌عنوان محصور شدن فعالیت مغناطیسی در پوسته‌ای نازک‌تر زیر سطح مرئی تفسیر می‌کنند، پوسته‌ای در حدود ۱۰۰۰ کیلومتر، یا ۶۲۱ مایل. این نکته جزئی و کم‌اهمیت نیست. میدان‌های مغناطیسی، شراره‌های خورشیدی و فوران‌های جرم تاجی را کنترل می‌کنند و همین پدیده‌ها آب‌وهوای فضایی را شکل می‌دهند. اگر انرژی مغناطیسی در لایه‌های کم‌عمق‌تر بازآرایی شود، می‌تواند نحوه و زمان آزاد شدن این انرژی به درون هورسپهر را تغییر دهد.

بیل چاپلین، اخترفیزیک‌دان دانشگاه بیرمنگام که هدایت این پژوهش را بر عهده داشته، می‌گوید این روند فقط به‌دلیل عمر طولانی داده‌های بایسون آشکار شده است. وقتی می‌خواهید افت‌وخیز عادی یک چرخه خورشیدی ۱۱ ساله را از یک تغییر ساختاری بلندمدت جدا کنید، خط پایه زمانی طولانی ضروری است. سربانی باسو، اخترشناس دانشگاه ییل و یکی از نویسندگان همکار، نیز اضافه می‌کند که پیوند میان نوسان‌های درونی و فعالیت سطحی در چند چرخه اخیر دگرگون شده است، رابطه‌ای که در دهه‌های پیشین محکم‌تر بود.

چرا این موضوع برای زمین و نظریه اهمیت دارد

آب‌وهوای فضایی مفهومی انتزاعی نیست. شراره‌های پرانرژی و فوران‌های جرم تاجی می‌توانند به ماهواره‌ها آسیب بزنند، سامانه‌های جی‌پی‌اس و ارتباطات را مختل کنند و در شبکه‌های برق جریان القایی ایجاد کنند. پیش‌بینی این مخاطرات به مدل‌هایی وابسته است که تولید میدان مغناطیسی در اعماق خورشید را به ساختارهای مغناطیسی مشاهده‌شده در سطح و تاج خورشیدی پیوند می‌دهند.

اگر خورشید واقعاً در حال تغییر شیوه ذخیره انرژی مغناطیسی خود باشد، مدل‌ها باید با آن سازگار شوند. مغناطیس محدودتر به سطح می‌تواند زمان‌بندی و ویژگی رویدادهای فورانی را تغییر دهد. این وضعیت شاید بر خود دیناموی خورشیدی نیز اثر بگذارد، یعنی همان فرایند آشفته حرکت پلاسما و چرخش تفاضلی که میدان مغناطیسی بزرگ‌مقیاس خورشید را می‌سازد و تقریباً هر ۱۱ سال وارونه می‌کند.

ممکن است بهبودهای عملی در پیش‌بینی نیز در پی داشته باشد. با پیوند دادن نشانه‌های نوسانی مشخص به پیامدهای بعدی آب‌وهوای فضایی، می‌توان شاخص‌های هشدار زودهنگام بیشتری توسعه داد. با این حال، یافته‌های کنونی فصل آغازین این داستان‌اند، نه حکم نهایی. ادامه پایش بایسون تا پایان چرخه ۲۵ و ورود به چرخه ۲۶، که حدود سال ۲۰۳۰ انتظار می‌رود، نشان خواهد داد که این الگو پایدار می‌شود، وارونه می‌شود یا بیشتر تکامل می‌یابد.

دیدگاه کارشناس

دکتر النا روئیز، اخترفیزیک‌دان خیالی و فیزیک‌دان خورشیدی در یک سازمان ملی فضایی، می‌گوید: «داده‌های طولانی و منسجم اهرمی به ما می‌دهند که از چند تصویر لحظه‌ای به دست نمی‌آید. آن را مانند گوش دادن به ضربان قلب در طول چند دهه تصور کنید، نه فقط یک بار مراجعه به درمانگاه. تغییرات کوچکی که از یک چرخه به چرخه بعدی تکرار می‌شوند، جابه‌جایی‌های فیزیولوژیک را آشکار می‌کنند. در مورد خورشید، این جابه‌جایی‌ها به بازپیکربندی محل ذخیره انرژی مغناطیسی اشاره دارند؛ تغییری که می‌تواند هم ریتم و هم فوران‌ها را به‌طور ظریف دگرگون کند.» این دیدگاه نشان می‌دهد چرا مشاهده صبورانه، هم برای نظریه و هم برای پیش‌بینی کاربردی اهمیت دارد.

نتیجه‌گیری

خورشید همچنان ستاره‌ای پویا و در حال تغییر است. آنچه زمانی مانند کاهش یکنواخت فعالیت سطحی به نظر می‌رسید، اکنون پیچیده‌تر دیده می‌شود: آرام‌تر شدن بیرون خورشید همراه با تمرکز رفتار مغناطیسی درست زیر سطح. رکورد نزدیک به ۴۰ ساله بایسون نخستین شواهد روشن از این بازآرایی ظریف را فراهم کرده است. دهه آینده مشاهدات نشان خواهد داد که آیا با یک ویژگی گذرای کوتاه‌مدت روبه‌رو هستیم یا با شیوه‌ای تازه از رفتار خورشیدی، و هر دو نتیجه، شناخت ما را از چگونگی کارکرد ستاره‌هایی مانند خورشید و اثر آن‌ها بر منظومه‌های سیاره‌ای دقیق‌تر خواهد کرد.