.webp)
11 دقیقه
چرا قطبهای خورشید اهمیت دارند
نواحی قطبی خورشید همچنان جزو کممشاهدهترین اما از تأثیرگذارترین مناطق در هلیوفیزیک بهشمار میروند. مشاهدات از زمین و فضاپیماهایی که در صفحهٔ اکلتیك قرار دارند، نمای دقیقی از لکههای خورشیدی، نواحی فعال، فورانها و پرتاب جرم تاجی (CMEها) ارائه میدهند، اما این دیدها اغلب از یک زاویهٔ جانبی است. نتیجه این محدودیت تصویری ناقص از میدان مغناطیسی سراسری خورشید و منابعی که باد خورشیدی سریع را تغذیه میکنند و وضعیت فضایی را در سراسر هلیوسفر شکل میدهند است.
درک قطبها ضروری است، زیرا میدانهای مغناطیسی قطبی، دوقطبی بزرگمقیاس خورشید را تعریف میکنند، بر زمانبندی و مکانیزم معکوسشدن قطبیت مغناطیسی اثر میگذارند و با جریانهای باد خورشیدی پرسرعت که بخش زیادی از فضای میانسیارهای را اشغال میکنند، مرتبطاند. مأموریتی جدید که برای دستیابی به مداری با شیب بالا نسبت به صفحهٔ اکلتیك طراحی شده، وعده میدهد اولین نمای پیوسته و با وضوح بالا از این مناطق را فراهم کند و به سه پرسش بنیادین در مورد ستارهٔ ما پاسخ دهد.
پیشزمینهٔ علمی: دیناموی خورشیدی و چرخهٔ مغناطیسی
فعالیت مغناطیسی خورشید در بازهای تقریباً 11 ساله افزایش و کاهش پیدا میکند و آشکارترین نشانهٔ آن نوسان در شمار لکههای خورشیدی است. در زیر این تغییرات سطحی، دیناموی خورشیدی قرار دارد — فرایندی که جریانهای پلاسمایی و دوران را به میدان مغناطیسی تبدیل میکند. دو مؤلفهٔ کلیدی در مدلهای دینامو عبارتاند از چرخش اختلافی (یعنی سرعت چرخش سریعتر خط استوا نسبت به قطبها) و گردش مرادیونال (جریانهای سطحی بهسمت قطب و جریانهای بازگشتی بهسمت استوا در عمق منطقهٔ همرفتی) که شار مغناطیسی را منتقل میکنند.
با وجود دههها هلیوسیزمولوژی و مدلسازی، جزئیات جریانهای عمیق هنوز محل مناقشه است. برخی تحلیلهای هلیوسیزمولوژیکی، جریانهای قطبسو در عمقی را نشان میدهند که براساس مدلهای کلاسیک انتقال شار انتظار میرود جریانهای بازگشتی به سمت استوا وجود داشته باشند؛ این تناقض با مدلهای سنتی تنشآفرین است. بنابراین نقشهبرداری میدانهای مغناطیسی در عرضهای بالایی و اندازهگیری حرکت پلاسمای نزدیک قطبها برای آزمون و اصلاح نظریهٔ دینامو حیاتیاند. مشاهدات مستقیم قطبی میتواند آشکار کند چگونه تجمع میدان قطبی زمینهساز چرخهٔ لکههای بعدی میشود و چرا دامنه و زمانبندی چرخهها تغییر میکند — نکتهای با پیامدهای پیشبینی چرخهٔ خورشیدی و برنامهریزی مأموریتها.
باد خورشیدی سریع: منابع و مکانیزمهای شتابدهی
یکی از بینشهای بنیادین مأموریت اُلایس (Ulysses) که در سال 1990 پرتاب شد، این بود که باد خورشیدی سریع در اصل از حفرههای تاجی وسیع در عرضهای بالا نشأت میگیرد. این حفرههای تاجی مناطقی با خطوط میدان مغناطیسی باز هستند که اجازه میدهند ذرات باردار با سرعتهای مافوق صوت به هلیوسفر فرار کنند. با اینحال پرسشهای مهمی باقی میمانند: آیا جریانهای پرسرعت از ستونهای متراکم (plume) داخل حفرههای تاجی بیرون میآیند یا از پلاسمای میان-ستونی پراکنده؟ نقش فرایندهای موجی مانند موجهای آلفون، رویدادهای بازترکیبی مغناطیسی کوچکمقیاس، یا مکانیسمهای ترکیبی در شتابدهی و گرمایش باد چیست؟
حل این مسائل نیازمند دو نوع اندازهگیری مکمل است: حسگرهای دورسنجی با وضوح بالا از تاج قطبی و نمونهبرداری درجا (in-situ) از باد خورشیدی بالای قطبها. تصویرگیری در طیف فرابنفش شدید (EUV) و اشعهٔ ایکس میتواند ساختارها و رویدادهای گرمایشی در تاج پایین را آشکار کند، در حالی که ابزارهای درجا توزیع ذرات، ترکیب شیمیایی و میدانهای مغناطیسی را اندازهگیری میکنند تا ویژگیهای دورسنجی را به جریانهای پلاسمایی واقعی که به فضای بینسیارهای وارد میشوند، متصل کنند.
انتشار وضعیت فضایی و دیدگاهِ جهانی
وضعیت فضایی به نحوهٔ تأثیر فعالیتهای خورشیدی — مانند فورانها، CMEها و باد خورشیدی متغیر — بر محیط هلیوسفر گفته میشود. رویدادهای شدید میتوانند عملیات ماهوارهای را مختل کنند، امواج رادیویی فرکانس بالا و ناوبری GNSS را دچار مشکل سازند، ارتباطات خطوط هوایی در عرضهای بالا را متأثر کنند و حتی شبکههای برق زمینی را تهدید نمایند. پیشبینی قابلاعتماد وضعیت فضایی نیازمند دیدی سراسری و سهبعدی از تکامل و انتشار سازههای مغناطیسی است.
از دیدگاهی که در صفحهٔ اکلتیك قرار دارد، پروجکشن و مسیر پیشروی CMEها بهسختی از هم تفکیک میشوند. مشاهدات از عرضهای بالای خورشیدی نمایی بالاسری از صفحهٔ اکلتیك فراهم میکنند و دنبالگیری هندسهٔ CME و تعیین جهت و میزان گسترش آن را شفافتر میسازند. چنین پوشش جهانیای، مدلهای زمانبندی ورود CME به مدار زمین را بهبود میدهد و به مراکز عملیاتی پیشبینی وضعیت فضایی کمک میکند تا تهدیدها را بهتر کاهش دهند؛ از جمله حفاظت ماهوارهها، اپراتورهای خطوط هوایی و مأموریتهای انسانی فضایی.
تلاشهای گذشته و ضرورت منظرهٔ قطبی
اهمیت رصدهای قطبی امری نوظهور نیست. اوایل مأموریت Ulysses نخستین اندازهگیریهای درجا از باد قطبی را فراهم کرد و نشان داد چگونه جریانهای پرسرعت با فاز چرخهٔ خورشیدی تغییر میکنند، اما این مأموریت دورسنجی تصویری نداشت تا منابع باد را به ساختارهای تاجی وصل کند. مأموریتهای اخیرتر مانند Solar Orbiter سازمان فضایی اروپا بهتدریج شیب مداری خود را افزایش میدهند؛ Solar Orbiter به عرضهای میانه تا بالا (حدود 34 درجه و بیشتر در طول زمان) خواهد رسید و نمایی بیسابقه اما هنوز محدود از قطبها ارائه میکند.
چندین طرح مأموریتی برای دسترسی مستقیمتر به قطبها پیشنهاد شدهاند: نمونههایی مانند Solar Polar Imager (SPI)، POLARIS، SPORT، Solaris و High Inclination Solar Mission (HISM). استراتژیهای پیشنهادی شامل پیشرانش پیشرفته مانند بادبانهای خورشیدی یا استفاده از چندین کمک گرانشی برای چرخاندن تدریجی صفحهٔ مداری فضاپیماها بود. هر طرح بر ترکیب تصویربرداری و طیفسنجی دورسنجی با ابزارهای درجا برای ذرات و میدانها تأکید داشت تا فیزیک تاجی را با پیامدهای هلیوسفری مرتبط کند.
رصدخانهٔ مداری قطبی خورشید (SPO): مروری بر مأموریت
رصدخانهٔ مداری قطبی خورشید (SPO) مأموریتی است که بهطور ویژه برای بهدستآوردن مشاهدات پیوسته و با شیب بالا از خورشید طراحی شده است. برنامهریزی شده برای پرتاب در ژانویهٔ 2029، SPO از یک همیار گرانشی مشتری (Jupiter Gravity Assist) پس از چندین گذر از کنار زمین استفاده خواهد کرد تا صفحهٔ مداری خود را از اکلتیك خارج کند. مدار علمی نامینال هدفگذاریشده شیبهایی تا 75 درجه با دورهٔ مداری 1.5 سال و حضیض نزدیک به 1 واحد نجومی را شامل میشود. در فاز توسعهیافتهتر، SPO میتواند تا حدود 80 درجه بالا رود و مستقیمترین و طولانیترین هندسهٔ دید قطبی تا به امروز را فراهم کند.
عمر عملیاتی برنامهریزیشدهٔ SPO حدود 15 سال است که شامل یک بازهٔ افزایشی 8 ساله نیز میشود. این مدتزمان عمداً طوری انتخاب شده که یک حداقل خورشیدی و حداقل یک حداکثر خورشیدی را پوشش دهد — از جمله معکوسشدن قطبیت پیشبینیشده در حوالی سالهای میانی دههٔ 2030. در طول عمر مأموریت، SPO عبورهای مکرر از بالای هر دو قطب انجام خواهد داد و پنجرههای مشاهدهٔ طولانیمدت در عرضهای بالا را که مجموعاً بیش از 1,000 روز خواهد بود، فراهم میآورد تا مطالعات فصلی و وابسته به چرخه از مغناطیس قطبی و جریانهای خروجی ممکن شود.
ابزارها و اندازهگیریها
برای تحقق اهداف علمی، SPO حامل جعبهابزاری ترکیبی از حسگرهای دورسنجی و درجا خواهد بود. حسگرهای دورسنجی شامل یک تصویربردار مغناطیسی و هلیوسیزمیک (MHI) برای میدانهای مغناطیسی برداری و جریانهای سطحی، تلسکوپ فرابنفش شدید (EUT) و تلسکوپ تصویربرداری اشعهٔ ایکس (XIT) برای ثبت گرمایش و پویایی تاج، یک کرونگراف نور مرئی (VISCOR) و یک کرونگراف زاویهٔ بسیار وسیع (VLACOR) برای تصویرگیری از تاج بیرونی و دنبالگیری جریانهای باد خورشیدی تا حدود 45 شعاع خورشیدی در 1 واحد نجومی خواهند بود. محمولهٔ درجا شامل یک مغناطیسسنج فلکسگیت و آشکارسازهای ذرات برای نمونهبرداری از میدانها، پروتونها، الکترونها و یونهای سنگین در بالای نواحی قطبی خواهد بود.
ترکیب تصویربرداری ساختار تاج قطبی با نمونهبرداری مستقیم از باد و نقشهبرداری میدان مغناطیسی به SPO این امکان را میدهد تا فرایندهایی که باد خورشیدی را تولید و شتاب میدهند، به توپولوژی مغناطیسی بزرگمقیاس و تغییرات دیناموی جهانی مرتبط کند. این ترکیب مشاهدات چندجانبه، پل لازم بین فیزیک پایهٔ تاج و پیامدهای هلیوسفر را فراهم میآورد و به آزمون فرضیهها دربارهٔ مکانیزمهای گرمایش و شتابدهی کمک خواهد کرد.
همافزایی با ناوگان خورشیدی
SPO بهتنهایی کار نخواهد کرد. انتظار میرود که این مأموریت بخشی از شبکهٔ چندفضاپیماوی خورشیدی باشد که شامل STEREO، Hinode، SDO، IRIS، ASO-S، Solar Orbiter، Aditya-L1، PUNCH و رصدخانههای آیندهٔ L5 مانند Vigil سازمان فضایی اروپا و LAVSO چین است. این مجموعه بهصورت جمعی پوشش نزدیک به جهانی و تقریباً پیوستهٔ خورشید — یک دید 4π — را برای نخستینبار فراهم خواهد کرد. منظر قطبی SPO شکاف حیاتی مشاهداتی را پر میکند و امکان تصویربرداری استریوسکوپیک و اندازهگیریهای چندنقطهای پلاسما را فراهم میآورد که مدلهای سهبعدی هلیوسفر را تصحیح و پالایش میکنند.
پیامدهای علمی و کاربردی
دیدی پایدار از قطبها مزایای علمی و عملی گستردهای خواهد داشت. دانش بهتر از چگونگی شکلگیری و معکوسشدن میدانهای قطبی، مدلهای دینامو را محدود خواهد کرد و احتمالاً پیشبینی چرخهٔ خورشیدی را بهبود میبخشد — ورودیای کلیدی برای برنامهریزی بلندمدت در زمینهٔ ماهوارهها و تابآوری شبکههای برق. روشنتر شدن منابع باد سریع و مکانیزمهای شتابدهی، مدلهای هلیوسفری مورد استفاده در پیشبینی وضعیت فضایی و برنامهریزی مأموریتی را تقویت خواهد کرد و طراحی فضاپیما و ایمنی فضانوردان را تحتتأثیر قرار میدهد. در نهایت، دنبالکردن بهتر گسترش CME از منظر قطبی بالاسری، عدم قطعیتها در زمان و شدت برخوردها به سیارات یا فضاپیماها را کاهش خواهد داد.
دیدگاه کارشناسی
«مشاهدات عرضهای بالا قطعهٔ ناقص در درک ما از چگونگی شکلگیری و بازتوزیع میدان مغناطیسی جهانی خورشید هستند.» دکتر النا مارتینز، فیزیکدان خورشیدی که با برنامهریزی مأموریتهای قطبی آشنایی دارد، میگوید: «ترکیب تصویربرداری پیوستهٔ قطبی و نمونهبرداری محلی از باد توسط SPO به ما امکان خواهد داد بهطور مستقیم آزمون کنیم آیا بازترکیبیهای ریزمقیاس یا گرمایش موجی (wave heating) در شتابدهی باد بالای حفرههای تاجی غالباند. این امر پیامدهای بزرگی هم برای فیزیک بنیادی و هم برای پیشبینی وضعیت فضایی دارد.»
فناوریهای مرتبط و چشمانداز آینده
رسیدن و کار کردن در عرضهای بالای خورشیدی، ناوبری فضاپیما، کنترل حرارتی و فناوریهای ارتباطاتی را به چالش میکشد. مسیرهای کمکی گرانشی نیازمند ناوبری دقیق و فازهای طولانی کروز هستند؛ شیبهای بالاتر ممکن است به پیشرانش نوآورانه یا مفاهیم بادبان برای عبور سریعتر نیاز داشته باشند. ابزارهای درونسفینه باید توانایی تحمل قرار گرفتن طولانیمدت در محیط هلیوسفری را داشته باشند و اندازهگیریهای پایدار و با وضوح بالا را در فواصل متغیر از خورشید ارائه دهند.
بهنگرش آینده، SPO و مأموریتهای مشابه میتوانند کلاس جدیدی از هلیوفیزیک تطبیقی را ممکن سازند: مطالعهٔ اینکه چطور دینامیک قطبی نه تنها محیط نزدیک خورشید بلکه فضای گستردهتر منظومهٔ شمسی را تحتتأثیر قرار میدهد. با گسترش مأموریتهای سرنشیندار و روباتیک فراتر از مدار نزدیک زمین، شناخت ساختار و تغییرپذیری هلیوسفر برای برنامهریزی مأموریتها و ایمنی فضانوردان اهمیت فزایندهای خواهد یافت.
نتیجهگیری
قطبهای خورشید تنها کنجکاویهای دور نیستند؛ آنها هستهٔ فرایندهاییاند که چرخهٔ مغناطیسی خورشیدی را تولید میکنند، باد خورشیدی سریع را راهاندازی میکنند و وضعیت فضایی را که زمین و داراییهای فناورانهٔ ما را در سراسر هلیوسفر تحتتأثیر قرار میدهد تعدیل میکنند. رصدخانهٔ مداری قطبی خورشید هدف دارد مشاهدات قطبی لازم را برای پاسخگویی به پرسشهای دیرینه دربارهٔ عملکرد دینامو، شتابدهی باد و انتشار CMEها فراهم کند. با پر کردن شکاف حیاتی مشاهداتی و همکاری با ناوگان خورشیدی موجود، SPO میتواند هم فهم علمی ما از خورشید و هم توانایی عملی ما در پیشبینی و کاهش پیامدهای وضعیت فضایی را متحول سازد.
منبع: scitechdaily
ارسال نظر