خورشید؛ شتاب دهندهٔ طبیعی ذرات و منبع الکترون های پرانرژی

خورشید؛ شتاب دهندهٔ طبیعی ذرات و منبع الکترون های پرانرژی

0 نظرات فرشاد واحدی

11 دقیقه

خورشید به‌عنوان شتاب‌دهندهٔ طبیعی ذرات

خورشید تنها منبع نور و گرما برای سامانهٔ خورشیدی نیست؛ بلکه به‌عنوان یک شتاب‌دهندهٔ طبیعی ذرات عمل می‌کند و جریان‌هایی از ذرات باردار را به فضای بین‌سیاره‌ای می‌فرستد. با استفاده از داده‌های مأموریت Solar Orbiter آژانس فضایی اروپا، پژوهشگران اکنون سریع‌ترین این ذرات—الکترون‌های پرانرژی—را به دو منبع جداگانهٔ خورشیدی ردیابی کرده‌اند. این کشف ابهامی طولانی‌مدت دربارهٔ الکترون‌های انرژی خورشیدی (Solar Energetic Electrons — SEE) را برطرف می‌کند و توانایی ما را برای پیش‌بینی آب‌وهوای فضایی خطرناک که می‌تواند ماهواره‌ها، فضانوردان و زیرساخت‌های زمینی را تحت تأثیر قرار دهد، تقویت می‌کند.

ماموریت Solar Orbiter نشان داد که چگونه خورشید دو جریان متمایز از الکترون‌های پرانرژی را پرتاب می‌کند، معمایی کلیدی را حل کرده و حفاظت در برابر آب‌وهوای فضایی را پیش می‌برد. Credit: ESA & NASA/Solar Orbiter/STIX & EPD

ماموریت و ابزارها: چگونه Solar Orbiter ارتباط را برقرار کرد

Solar Orbiter نزدیک‌تر از بسیاری از ماموریت‌های پیشین به خورشید عمل می‌کند و مجموعه‌ای هماهنگ از ابزارهای رصد از دور و در محل (in situ) را با خود دارد. بین نوامبر 2020 تا دسامبر 2022، این فضاپیما بیش از 300 رویداد الکترون پرانرژی را ثبت کرد و اندازه‌گیری‌های مستقیم ذرات را با تصاویر و طیف‌سنجی همزمان از جو خورشید ترکیب نمود.

Solar Orbiter بین نوامبر 2020 و دسامبر 2022 بیش از 300 انفجار «الکترون‌های انرژی خورشیدی» را مشاهده کرد. برای نخستین‌بار، ما به‌وضوح پیوند بین الکترون‌های پرانرژی موجود در فضا و منابع آن‌ها روی خورشید را می‌بینیم. این الکترون‌های پرانرژی توسط دو منبع متمایز پرتاب می‌شوند: شراره‌های خورشیدی (نقاط آبی) و پرتاب‌های جرم تاجی (نقاط قرمز). شراره‌ها انفجارهای کوتاه و تند الکترون‌های پرانرژی را آزاد می‌کنند، درحالی‌که پرتاب‌های جرم تاجی جریان‌های گسترده‌تری از الکترون‌ها را به‌تدریج رها می‌کنند. Credit: ESA & NASA/Solar Orbiter/STIX & EPD

مجموعه‌داده‌ای که در این مطالعه استفاده شد مبتنی بر هشت ابزار علمی از ده ابزار Solar Orbiter بود. مشارکت‌های کلیدی شامل موارد زیر بود:

  • Energetic Particle Detector (EPD): اندازه‌گیری در محل که شار و انرژی الکترون‌ها را هنگامی که Solar Orbiter از میان این جریان‌ها عبور می‌کرد، ثبت می‌کرد.
  • Spectrometer/Telescope for Imaging X-rays (STIX): تابش‌های پرتو ایکس تولیدشده هنگام برخورد الکترون‌های پرانرژی با جو خورشیدی را ثبت کرد.
  • Extreme Ultraviolet Imager (EUI) و کرونیوگراف Metis: زمینه‌ای دربارهٔ منشأ خورشیدی—شراره‌ها، جت‌ها و پرتاب‌های جرم تاجی (CME)—فراهم کردند.

با جفت‌کردن آشکارسازی در محل ذرات با مشاهدات از راه دور از خورشید، دانشمندان توانستند هم زمان و هم مکان شتاب‌گیری الکترون‌ها و نحوهٔ فرار آن‌ها به فضای بین‌سیاره‌ای را تعیین کنند. به‌گفتهٔ نویسندهٔ اصلی Alexander Warmuth (مؤسسهٔ لیبنیز در اخترفیزیک پوتسدام)، «با نزدیک شدن به ستارهٔ خود توانستیم ذرات را در حالت «بکر» اولیه اندازه‌گیری کنیم و بدین‌ترتیب زمان و مکان شروع آن‌ها روی خورشید را با دقت مشخص کنیم.»

شناسایی دو جمعیت متمایز الکترونی

نتیجهٔ مرکزی جداسازی واضح بین دو نوع رویداد الکترون‌های انرژی خورشیدی است:

  • رویدادهای تند و ناگهانی مرتبط با شراره‌های خورشیدی: این‌ها انفجارهای کوتاه و شدیدی از الکترون‌های پرانرژی تولید می‌کنند که با سرعت و از طریق خطوط میدان مغناطیسی فرار می‌کنند. شراره‌ها در نواحی کوچک و دارای فعالیت شدید سطح خورشید رخ می‌دهند و اغلب جت‌های باریک و تابش ایکس محلی ایجاد می‌کنند.
  • رویدادهای تدریجی مرتبط با پرتاب‌های جرم تاجی (CME): CMEها بیرون‌ریزی‌های عظیمی از پلاسمای غنی و میدان مغناطیسی از تاج خورشیدی هستند. آن‌ها می‌توانند الکترون‌ها را به‌طور کندتر و در طول جغرافیایی وسیع‌تری شتاب دهند و جریان‌های طولانی‌تری از ذرات پرانرژی تولید کنند.

«ما تقسیم واضحی بین رویدادهای «تند» ذره‌ای، که در آن الکترون‌های پرانرژی به‌صورت انفجارهایی از سطح خورشید توسط شراره‌ها شتاب می‌گیرند، و رویدادهای «تدریجی» مرتبط با CMEهای گسترده‌تر می‌بینیم که جریان وسیع‌تری از ذرات را در دوره‌های زمانی طولانی‌تر آزاد می‌کنند»، می‌گوید Alexander Warmuth.

Solar Orbiter این شرارهٔ خورشیدی را در 11 نوامبر 2022 با ابزارهای Extreme Ultraviolet Imager (EUI) و Spectrometer/Telescope for Imaging X-rays (STIX) مشاهده کرد. فیلم EUI (زرد) گاز میلیون‌درجه‌ای در جو خورشید را نشان می‌دهد. یک بیرون‌جت باریک از گاز که به‌عنوان جت خورشیدی شناخته می‌شود، به‌وضوح در لبهٔ تصویر به‌سمت پایین‌راست قابل مشاهده است. شراره‌های خورشیدی الکترون‌ها را هم به‌سمت بیرون در فضا و هم به‌سمت داخل به سطح خورشید آزاد می‌کنند. وقتی آن‌ها به سطح خورشید برخورد می‌کنند، پرتوهای ایکس تولید می‌کنند. این تابش ایکس که توسط STIX ثبت شده، به‌صورت آبی روی تصویر قرار گرفته است. Credit: ESA & NASA/Solar Orbiter/EUI & STIX

چگونگی سفر ذرات: تأخیر در آشکارسازی و اثرات انتقال

یکی از معماهای پایداری که مطالعه به آن پرداخت، تفاوت زمانی متغیر بین یک فوران خورشیدی که از راه دور مشاهده می‌شود (یک شراره یا CME) و آشکار شدن الکترون‌های پرانرژی نزد فضاپیما است. در برخی موارد، الکترون‌ها ساعت‌ها پس از رویداد خورشیدی اولیه می‌رسند. مجموعه‌داده‌های Solar Orbiter نشان می‌دهد که بخشی از این تأخیر ذاتاً مربوط به خورشید نیست، بلکه ناشی از اثرات انتقال در باد خورشیدی است.

پراکندگی و آشفتگی در هلیوسفیر

فضای بین‌سیاره‌ای با باد خورشیدی پر شده است—جریان فراصوتی پلاسمایی که میدان مغناطیسی خورشید را حمل می‌کند. این پلاسمای مغناطیده‌شده آشفته است: ناهمگنی‌ها و موج‌ها ذرات باردار را پراکنده می‌کنند. وقتی الکترون‌ها به سوی بیرون حرکت می‌کنند، با آشفتگی مغناطیسی برخورد می‌کنند که می‌تواند جهت و سرعت آن‌ها را تغییر دهد، باعث تأخیر در آشکارسازی و پخش سیگنال انفجار اولیه شود.

«مشخص شد که این حداقل تا حدودی مربوط به نحوهٔ حرکت الکترون‌ها در فضا است—ممکن است تأخیری در رهاسازی وجود داشته باشد، اما همچنین تأخیری در آشکارسازی نیز هست»، می‌گوید پژوهشگر همکار ESA، Laura Rodríguez-García. «الکترون‌ها با آشفتگی برخورد می‌کنند، در جهات مختلف پراکنده می‌شوند و بنابراین بلافاصله آن‌ها را تشخیص نمی‌دهیم. این اثرات هرچه از خورشید دورتر می‌شوید تجمع می‌یابند.»

از آنجا که Solar Orbiter اندازه‌گیری‌هایی را در فواصل نزدیک‌تر انجام داد، توانست الکترون‌ها را در حالت نسبتاً «بکر» قبل از تسلط اثرات پراکندگی تجمعی ثبت کند. مقایسهٔ مشاهدات در فواصل شعاعی مختلف به تیم امکان داد ویژگی‌های منبع (شراره در مقابل CME) را از اثرات انتقال در هلیوسفیر جدا کند.

اهمیت علمی و پیامدها برای آب‌وهوای فضایی

تمایز بین جمعیت الکترون‌های ناشی از شراره و آن‌هایی که توسط CMEها تولید می‌شوند، ارزش فوری برای پیش‌بینی آب‌وهوای فضایی دارد. به‌طور کلی CMEها خطر بیشتری ایجاد می‌کنند زیرا حاوی تعداد بیشتری از ذرات پرانرژی هستند و اغلب شوک‌هایی را به‌وجود می‌آورند که ذرات باردار را بیشتر شتاب می‌دهند. با شناسایی اینکه کدام نوع رویداد، الکترون‌های مشاهده‌شده را تولید کرده است، پیش‌بینی‌کنندگان می‌توانند شدت و مدت اپیزودهای تابش ذرات را بهتر برآورد کنند.

حفظ ایمنی زمین اهمیت حیاتی دارد. این یافته برای درک ما از آب‌وهوای فضایی مهم است، جایی که پیش‌بینی دقیق برای حفظ عملکرد و ایمنی فضاپیماها حیاتی است. یکی از دو نوع رویداد SEE برای آب‌وهوای فضایی اهمیت بیشتری دارد: آن‌که با CMEها مرتبط است، زیرا معمولاً ذرات پرانرژی بیشتری دارد و می‌تواند خسارت بیشتری ایجاد کند. به‌همین‌دلیل، توانایی تمایز بین این دو نوع الکترون پرانرژی برای پیش‌بینی اهمیت زیادی دارد.

«دانش به‌دست‌آمده از Solar Orbiter به محافظت از فضاپیماهای آینده کمک خواهد کرد، زیرا اجازه می‌دهد تا الکترون‌های پرانرژی خورشیدی که فضانوردان و ماهواره‌ها را تهدید می‌کنند بهتر شناخته شوند»، می‌گوید Daniel Müller، دانشمند پروژهٔ Solar Orbiter در ESA. مجموعه‌داده‌ای که این مطالعه تولید کرده است، پایگاهی در حال رشد را تشکیل می‌دهد که دانشمندان در سراسر جهان برای پالایش مدل‌های شتاب‌گیری و انتشار ذرات از آن استفاده خواهند کرد.

فناوری‌ها، ماموریت‌های عملیاتی مرتبط و گام‌های بعدی

این پژوهش نشان می‌دهد که چگونه ابزارهای هماهنگ‌شده—ترکیب آشکارسازهای ذرات در محل با تصویربرداری و طیف‌سنجی خورشیدی با وضوح بالا—امکان پیشرفت‌های قابل‌توجهی در فهم شتاب‌گیری ذرات خورشیدی فراهم می‌آورد. درس‌های به‌دست‌آمده هم برای پژوهش علمی و هم برای زیرساخت‌های عملیاتی آب‌وهوای فضایی آموزنده است.

Solar Orbiter این پرتاب جرم تاجی (CME) را در 19 نوامبر 2022 مشاهده کرد. CME فروپاشی عظیمی است از میلیاردها تن پلاسما و میدان‌های مغناطیسی همراه از جو خارجی خورشید. ابزار Metis با پوشاندن مصنوعی دیسک درخشان خورشید، جو خارجی خورشید را تصویربرداری می‌کند، مشابه آنچه در کسوف کامل خورشیدی رخ می‌دهد. در این ویدئو، اندازه و موقعیت خورشید با دایرهٔ سفید نشان داده شده است. Credit: ESA & NASA/Solar Orbiter/Metis

ماموریت‌های آینده: Vigil و SMILE

دو مأموریت آتی ESA قابلیت‌های رصدی ما را گسترش خواهند داد:

  • Vigil (پرتاب حدود سال 2031): در نقطه‌ای قرار خواهد گرفت که لبه‌های شرقی و غربی خورشید را مشاهده کند (به عبارت دیگر «کنار» خورشید نسبت به زمین) تا تشخیص زودتری از CMEهایی که ممکن است به مسیر زمین بچرخند فراهم آورد. دید مداوم جانبی Vigil زمان پیش‌آگاهی برای پیش‌بینی مسیر، سرعت و احتمال تاثیر CME را بهبود می‌بخشد.
  • SMILE (Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer، پرتاب آینده): تعامل پویا بین ذرات باد خورشیدی و میدان مغناطیسی زمین را مطالعه خواهد کرد و شفاف‌تر می‌سازد که چگونه جریان‌های الکترون پرانرژی و دیگر خروجی‌های خورشیدی سپر مغناطیسی سیارهٔ ما را مختل می‌کنند.

این مأموریت‌ها، همراه با Solar Orbiter و سایر رصدخانه‌ها، شبکه‌ای چند دیدگاهی تشکیل خواهند داد که هم فهم فیزیکی و هم پیش‌بینی‌های عملیاتی را بهبود می‌بخشد.

دیدگاه کارشناسی

دکتر Maya Singh، اخترفیزیکدان ارشد هلیوفیزیک در یک دانشگاه بزرگ (کارشناس فرضی)، اظهار می‌کند: «آنچه Solar Orbiter انجام داده، جداکردن ردپاهای دو فرایند شتاب‌دهنده در خورشید است. مشاهدهٔ الکترون‌ها نزدیک‌تر به منشأشان ابهام ناشی از اثرات انتقال در باد خورشیدی را کاهش می‌دهد. از منظر عملی، این به معنی مدل‌های بهتر برای محیط‌های تشعشعی پیرامون فضاپیماها و معیارهای واضح‌تر برای فعال‌سازی پروتکل‌های حفاظتی برای فضاپیماها و فضانوردان است.»

دکتر Singh اضافه می‌کند: «ترکیب اندازه‌گیری‌های از راه دور و در محل در یک مأموریت، الگویی برای مأموریت‌های آیندهٔ هلیوفیزیک است. با افزودن ماموریت‌های جانبی مانند Vigil و مأموریت‌های هدفمند میدان مغناطیسی مانند SMILE، ظرفیت پیش‌بینی ما برای آب‌وهوای فضایی به‌طور چشمگیری بهبود خواهد یافت.»

نتیجه‌گیری

مشاهدات Solar Orbiter پرسش کلیدی دربارهٔ سریع‌ترین ذرات باردار خورشید را حل کرده است: الکترون‌های پرانرژی در دو گونهٔ اصلی ظاهر می‌شوند—انفجارهای تند ناشی از شراره‌های خورشیدی و جریان‌های تدریجی مرتبط با پرتاب‌های جرم تاجی. با اندازه‌گیری بیش از 300 رویداد SEE با ابزارهای مکمل و در فواصلی نزدیک‌تر از کاوشگرهای پیشین، این ماموریت ویژگی‌های منبع را از اثرات انتقال ایجادشده توسط باد خورشیدی آشفته جدا کرد. این نتیجه پیش‌بینی آب‌وهوای فضایی را تقویت می‌کند، راهبردهای محافظت از ماهواره‌ها و فضانوردان را آگاه می‌سازد و پایه‌ای را برای ماموریت‌های جدید—Vigil و SMILE—فراهم می‌آورد که پوشش رصدی سامانهٔ خورشید–زمین را گسترش خواهند داد. پایگاه‌دادهٔ رو به رشد Solar Orbiter همچنان به جامعهٔ جهانی هلیوفیزیک خدمت خواهد کرد تا مدل‌های شتاب‌گیری، انتشار و تأثیر سیاره‌ای ذرات را پالایش کنیم.

منبع: scitechdaily

به دنیای علم خوش اومدی! من فرشاد هستم، کنجکاو برای کشف رازهای جهان و نویسنده مقالات علمی برای آدم‌های کنجکاو مثل خودت!

نظرات

ارسال نظر

مطالب مرتبط