6 دقیقه
مشاهدات جدید: یونهای پیکاپ و فعالیت موجی غیرمنتظره در حوالی زمین
تیمی به سرپرستی دکتر مایکل استارکی در Southwest Research Institute شواهد مشاهده‌ای را گزارش کرده‌اند که نشان می‌دهد یونهای پیکاپ (PUIs) در باد خورشیدی نزدیک زمین میتوانند فعالیت موجی قابل اندازه‌گیری ایجاد کنند — یافته‌ای که از داده‌های مأموریت Magnetospheric Multiscale (MMS) ناسا به‌دست آمده است. MMS که در ۲۰۱۵ پرتاب شد، چهار فضاپیمای نزدیک به هم را به‌کار گرفته که میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی و ذرات پیرامون مگنتوسفر زمین را اندازه‌گیری میکنند. در حالی که MMS برای مطالعه بازترکیب مغناطیسی و فیزیک لایه‌های مرزی طراحی شده بود، ابزارهای با وضوح بالا اکنون رفتارهای غیرمنتظره‌ای در پلاسمای باد خورشیدی مجاور را نمایان کرده‌اند.
یونهای پیکاپ زمانی تشکیل میشوند که اتمهای خنثی که در هلیوسفیر حرکت میکنند، توسط تابش فرابنفش خورشیدی یا تبادل بار با یونهای باد خورشیدی یونیزه شوند. پس از یونیزه شدن، این ذرات که پیش‌تر خنثی بودند، در جریان باد خورشیدی جابجا شده و حول میدان مغناطیسی بینسیارهای به گردش درمیآیند. بنابراین PUIs یک جمعیت یونی متمایز با توزیع سرعتی متفاوت از پروتونها و الکترونهای هسته‌ی باد خورشیدی را تشکیل می‌دهند. تا کنون تصور می‌شد PUIs در حوالی زمین نقش جزئی و تأثیر دینامیکی محدودی دارند؛ مشاهدات جدید MMS این فرض را به چالش می‌کشد.
چگونه تیم MMS تولید موج توسط یونهای پیکاپ را شناسایی کرد
تحلیلهای MMS ترکیبی از اندازهگیریهای مستقیم میدان مغناطیسی، توزیع سرعت ذرات و مدلسازی ناپایداری خطی بود. پژوهشگران دوره‌هایی را شناسایی کردند که در آنها PUIs الگوهای متمایز در فضای سرعت نشان می‌دادند و نوسانات میدان مغناطیسی همزمان با فرکانسها و قطبش‌هایی منطبق بر رشد موج‌هایی بودند که از توزیعهای حلقوی یا پوستهای یونها ناشی میشوند. در واقع، تیم توانست توان طیفی مشاهدهشده را با حالتهای تئوریک رشد موجی که توسط یون‌هایی مانند هیدروژن و هلیوم پیکاپ برانگیخته میشوند، مطابقت دهد.
«نتایج این مطالعه نشان می‌دهد که یونهای پیکاپ واقعاً میتوانند در باد خورشیدی نزدیک زمین موج تولید کنند و لزوم انجام مطالعات آماری گستردهتر در مورد این فرآیندها را آشکار می‌سازد،» دکتر استارکی گفت. «ممکن است یونهای پیکاپ نقش بزرگ‌تری در گرمایش و ترمالیزاسیون باد خورشیدی نزدیک زمین داشته باشند تا آنچه پیش‌تر تصور می‌شد، و این امر پیامدهای مهمی برای مدلهای باد خورشیدی در سراسر هلیوسفیر خواهد داشت.»
محدودیت‌های ابزارها مانع از شناسایی قطعی گونه‌ی یون مسئول در هر رویداد شد، اما برازش‌های مدل و ویژگی‌های مشاهده‌شدهٔ موج‌ها به احتمال زیاد یونهای هلیوم و/یا هیدروژن پیکاپ را به‌عنوان محرک‌های محتمل نشان می‌دهد. نکته‌ی مهم این است که جمعیت‌های PUI مشاهدهشده در بازههایی از باد خورشیدی رخ دادند که جمعیت‌های دیگر یون یا الکترون پرانرژی قابل توجهی در آنها وجود نداشت، که این موضوع نسبت‌دهی موج‌ها به PUIs را قوی‌تر میکند تا اینکه منبعی دیگر مسئول باشد.
زمینه علمی و پیامدها برای فیزیک هلیوسفری
برهم‌کنش‌های موج-ذره مکانیزم مرکزی انتقال انرژی بین میدان‌ها و ذرات در پلاسمای فضایی است. اگر PUIs بتوانند بهطور مکرر رشد موج را در نزدیکی زمین رانش دهند، ممکن است در گرمایش محلی باد خورشیدی و ترمالیزاسیون تدریجی جریان سهمی داشته باشند. این نقش با افزایش فاصله از خورشید اهمیت بیشتری پیدا میکند: فراوانی نسبی PUIs در هلیوسفیر بیرونی افزایش می‌یابد زیرا اتمهای خنثی بیشتری از محیط میان‌ستاره‌ای برای یونیزه شدن در دسترس هستند. در آن نواحی، از پیش شناخته شده که PUIs بهطور قابل‌توجهی به فشار دینامیکی باد خورشیدی کمک کرده و ساختارهای وسیع‌مقیاسی مانند شوک پایان و هلیوشیت را تغییر می‌دهند.
بازنگری مدلهای باد خورشیدی برای گنجاندن امواج فعال رانششده توسط PUIs در حوالی ۱ واحد نجومی، درک ما از تکامل باد خورشیدی، شتابگیری ذرات، تعدیل پرتوهای کیهانی و تعادل کلی هلیوسفری را دگرگون میکند. مدلهای جهانی و کنیتیکی فعلی اغلب فرض میکنند PUIs در حوالی زمین منفعل یا ناچیز هستند؛ نتایج MMS نشان می‌دهد این فرض باید از طریق بررسی‌های آماری گستردهتر و مشاهدات هماهنگ با فضاپیماهای دیگری مانند ACE، Wind، Parker Solar Probe و Solar Orbiter مورد تجدیدنظر قرار گیرد.
دیدگاه کارشناسی
دکتر النا مارکز، اخترفیزیکدانی متخصص در فیزیک پلاسما هلیوسفری در دانشگاه کلرادو (نظر تخیلی برای زمینه)، اظهار می‌دارد: «این مشاهدات MMS یک پیوند گم‌شده بین فرآیندهای موضعی کنیتیکی و تکامل فرا‌مقیاس باد خورشیدی فراهم میکند. اگر یونهای پیکاپ بتوانند آشفتگی موجی را نزدیک‌تر به خورشید از آنچه پیش‌تر تصور می‌شد بذر دهند، نحوه تفسیر گرمایش درجا و آبشار انرژی در مقیاس‌ها تغییر خواهد کرد. کمپین‌های چندمأموریتی آینده برای کمّی‌سازی این اثر در رژیم‌های مختلف باد خورشیدی ضروری خواهند بود.»
جزئیات مأموریت، روش‌ها و گامهای بعدی
فضاپیماهای MMS حامل مغناطیمتَرهای دقیق و آشکارسازهای ذرات سریع هستند که قادرند توزیعهای یونی و نوسانات مغناطیسی را با نرخ بالا تفکیک کنند. برای این مطالعه، تیم بازه‌های MMS در باد خورشیدی بالادست مگنتوسفر را جست‌وجو کرد، توزیعهای سرعتی یونی مشخصهٔ PUIs تازه‌متولد را استخراج نمود و نرخ‌های رشد خطی مورد انتظار برای ناپایداری‌های شناخته‌شده پلاسمایی را محاسبه کرد. بررسی‌های متقابل بین قطبش مشاهدهشده موج، زوایای انتشار و حالتهای موج پیش‌بینی‌شده، دلیلی قوی برای فعالیت رانششده توسط PUIs فراهم کرد.
گامهای بعدی شامل تحلیلهای آماری گستردهتر در آرشیو MMS، مشاهدات هماهنگ با مأموریت‌هایی که فواصل هلیوسنتریک مختلف را نمونه‌برداری میکنند، و بهبود ابزارهای ذره‌ای یا روش‌های تحلیل مد برای تشخیص گونههای یونی به‌صورت قوی‌تر است. آزمایشهای پلاسما در آزمایشگاه و شبیهسازیهای کنیتیکی پیشرفته نیز در فهم تکامل غیرخطی امواج رانششده توسط PUIs و نقش آنها در گرمایش باد خورشیدی کمک خواهند کرد.
نتیجه‌گیری
تحلیل مشاهدات MMS توسط Southwest Research Institute نشان می‌دهد یونهای پیکاپ در حوالی زمین میتوانند فعالیت موجی در باد خورشیدی ایجاد کنند؛ نقشی که پیش‌تر در فاصلهٔ ۱ واحد نجومی ناچیز تلقی می‌شد. این یافتهها نشان می‌دهد که PUIs ممکن است در گرمایش محلی و ترمالیزاسیون باد خورشیدی سهم داشته باشند و احتمالاً نیاز به به‌روزرسانی مدلهای هلیوسفری را که در حال حاضر PUIs را در نزدیکی زمین از لحاظ دینامیکی کماهمیت می‌دانند، به‌وجود می‌آورد. تأیید شیوع و تأثیر امواج رانششده توسط PUIs نیازمند مطالعات آماری بیشتر، مقایسه‌های میان‌مأموریتی و تلاش‌های مدلسازی هدفمند است. در صورت تأیید، این مکانیزم فیزیک کنیتیکی مقیاس کوچک را به دینامیک فرا‌مقیاس هلیوسفری پیوند می‌دهد و پیامدهایی تا شوک پایان و فراتر از آن خواهد داشت.
منبع: sciencedaily
.avif)
نظرات