8 دقیقه
باران تاجی — توده‌های سرد و چگال پلاسما که در امتداد حلقه‌های مغناطیسی خورشید فرو میریزند — برای دهه‌ها فیزیک‌دانان خورشیدی را سردرگم کرده است. شبیه‌سازی‌های جدید گروهی از پژوهشگران دانشگاه هاوایی نشان می‌دهد که جریان‌ها و تغییرات مکانی و زمانی فراوانی عناصر سنگین ممکن است جزء گمشده‌ای باشد که باعث شروع این بارش‌های نمایشی میشود.
نوعی آب و هوای متفاوت: باران تاجی چیست؟
وقتی از «باران» روی خورشید صحبت می‌کنیم، منظور ما آب معمولی نیست. باران تاجی از گاز یونیده — پلاسما — تشکیل شده است که از تاج داغ خورشید تراکم پیدا کرده و به سمت سطح فرو می‌ریزد. از آنجا که پلاسما حامل بار الکتریکی است، این تراکم‌ها امتداد خطوط میدان مغناطیسی را دنبال می‌کنند و جریانهای روشن و قوسی شکلی پدید می‌آورند که می‌توانند فاصله‌هایی برابر چندین قطر زمین را در بر گیرند. این پدیده تصویری قدرتمند از دینامیک میدان‌های مغناطیسی و انتقال انرژی در تاج خورشیدی ارائه می‌دهد.
رصدگران اغلب باران تاجی را پس از فعالیت‌های قوی خورشیدی مانند فوران‌ها (فِلِیرها) و انفجارهای تاجی مشاهده می‌کنند. این پدیده ساختارهای پنهان میدان مغناطیسی خورشید را آشکار می‌سازد و به دانشمندان یک پروب دینامیک و نادر از فیزیک تاج می‌دهد. با این‌حال، با وجود دهه‌ها رصد و تحلیل، چگونگی و سرعت فرآیند خنکشدن پلاسما و تبدیل آن به قطرات سقوط‌کننده همچنان نامشخص مانده است.
شبیه‌سازی‌های جدید: عناصر در حرکت
پژوهشگران موسسه نجوم (IfA) دانشگاه هاوایی مدلهای استاندارد تاج را تغییر دادند و اجازه دادند که فراوانی عناصر — مانند آهن، سیلیکون، منیزیم و دیگر گونه‌ها — در فضا و زمان تغییر کند. در شبیه‌سازی‌های پیشین معمولاً فرض می‌شد این فراوانی‌ها در سراسر تاج ثابت‌اند. تیم IfA دریافت که وقتی جریانهای عنصری می‌توانند تغییر کنند، باران تاجی خیلی سریعتر از آنچه مدلهای قبلی پیشبینی کرده بودند شکل می‌گیرد.
در شبیه‌سازی‌های آن‌ها، تغییرات موضعی در غلظت عناصر باعث ایجاد پیک‌هایی در اتلاف انرژی تابشی در رأس حلقه‌های تاجی شد. به عبارت ساده‌تر: هنگامی که عناصر سنگین در ناحیه‌ای تجمع می‌یابند، آن بخش از پلاسما کارآمدتر انرژی تابشی از دست می‌دهد، سریعتر خنک میشود و مواد بیشتری را به داخل حلقه می‌کشد. این ورود مواد خنک‌شده خنکشدن را در یک بازخورد خودتقویتکننده تسریع می‌کند و در نتیجه ظرف چند دقیقه، به‌جای چند ساعت، تراکمهای چگال — بذرهای باران تاجی — شکل می‌گیرند.
«در حال حاضر مدل‌ها فرض می‌کنند توزیع عناصر مختلف در تاج در فضا و زمان ثابت است، که آشکارا چنین نیست،» لوک بناویتز، دانشجوی رشته اخترشناسی در IfA و یکی از هم‌نویسندگان مطالعه توضیح می‌دهد. «وقتی مدل اجازه می‌دهد عناصری مثل آهن با زمان جابه‌جا شوند، شبیه‌سازی‌ها بالاخره آغاز سریع باران تاجی را که ما در رصدها می‌بینیم بازتولید می‌کنند.»
چرا تغییر فراوانی عناصر برای خنکشدن تابشی اهمیت دارد
گونه‌های اتمی مانند آهن و سیلیکون دارای گذارهای الکترونی متعددی هستند که هنگام خنکشدن پلاسما به‌عنوان تابش‌دهنده عمل می‌کنند. هرچه این اتم‌ها بیشتر باشند، اتلاف‌های تابشی در دماهای معینی بزرگ‌تر است. در رأس حلقه‌ای که به‌صورت حاشیه‌ای بین گرمایش و خنکشدن در تعادل قرار دارد، حتی غنی‌سازی اندک عناصر سنگین میتواند تراز نیروها را به سمت خنکشدن سریع متمایل سازد.
این مکانیزم مکمل محرک‌های پیشنهادی دیگر — مانند گرمایش تند از فوران‌ها یا ناپایداری‌های حرارتی — است، اما شایان توجه است چون باران تاجی را مستقیماً به دینامیک ترکیبیاتی (ترکیب شیمیایی) پیوند می‌دهد. اگر جریانهای عنصری واقعاً قابل‌توجه و متغیر در زمان باشند، این موضوع چالشی برای یک فرض اساسی است که در بسیاری از مدلهای گرمایش تاج و جو خورشیدی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
پیامدها برای مسئله گرمایش تاج و پیشبینی وضعیت فضایی
این یافته دو پیامد عملی دارد. اول اینکه نشان می‌دهد درک مسئله گرمایش خورشید — یعنی اینکه چرا تاج میلیون‌ها درجه گرم‌تر از سطح خورشید (فوتوسفر) است — ممکن است نیاز به بازنگری دقیق‌تری در فرایندهای انتقال و تفکیک عناصر داشته باشد. دوم اینکه، اگر تغییرات فراوانی عناصر به راه‌اندازی باران تاجی و خنکشدن سریع کمک کنند، ممکن است در زمانبندی و مورفولوژی جریانهای جرمی که جو پایینتر و باد خورشیدی را تغذیه می‌کنند تأثیرگذار باشند.
«این کشف اهمیت دارد چون به ما کمک می‌کند بفهمیم خورشید واقعاً چگونه کار می‌کند،» جفری ریپ، اخترشناس IfA و هم‌نویسنده مقاله می‌گوید. «ممکن است لازم باشد در مدلهای گرمایش تاج بازنگری کنیم؛ بنابراین کارهای جدید و هیجان‌انگیزی در پیش است.»
آنچه مدل‌ها هنوز نیاز دارند
با اینکه شبیه‌سازی‌های جدید شکلگیری سریعتر باران را بازتولید می‌کنند، آن‌ها هنوز پیچیدگی کامل خورشید واقعی را دربرنمی‌گیرند. تاج با میدان‌های مغناطیسی چندمقیاسی بافته شده است، رانده‌شده توسط حرکت‌های آشفته در فوتوسفر و تحت تأثیر گرمایش اپیزودیک (گسسته) قرار دارد. برای اعتبارسنجی اینکه فراوانی عناصر چگونه و در کجا تغییر می‌کند، رصدهایی که طیفسنجی، تصویربرداری با وضوح‌بالا و اندازه‌گیری‌های زمان-دامنه را ترکیب می‌کنند ضروری خواهند بود.
ماموریت‌های آینده خورشیدی و ابزارهایی که ترکیب شیمیایی و دما را در مقیاس‌های مکانی کوچک اندازهگیری می‌کنند — همراه با مدلهای بهبودیافته‌ای که جریان‌ها، موج‌ها و بازسازی مغناطیسی (magnetic reconnection) را دربر می‌گیرند — به بستن حلقه بین نظریه و رصد کمک خواهند کرد. ابزارهایی مانند طیف‌نگارهای فرابنفش و ایکس، تصویربردارهای طیف-فضایی با نرخ نمونهبرداری بالا، و میدان‌سنج‌های تصویری می‌توانند سرنخ‌های مستقیم از تغییرات فراوانی عناصر و تأثیر آن‌ها بر اتلاف تابشی فراهم کنند.
دیده‌بان خبره
«این مطالعه یادآوری مهمی است که تاج از نظر شیمیایی ایستا نیست،» دکتر میرا سانتوس، فیزیک‌دان خورشیدی در یک آزمایشگاه تحقیقاتی بزرگ (توضیح برای زمینه ارائه شده است) می‌گوید. «اجازه دادن به اینکه فراوانی عناصر به‌طور طبیعی تکامل یابد، فیزیک اتمی میکروسکوپی را با دینامیک ماکروسکوپی که ما واقعاً می‌بینیم پیوند می‌دهد. حاصل یک مسیر قابل‌قبول و قابل‌آزمایش از تغییرات ترکیبی به بارش قابل‌مشاهده تاجی است.»
گام بعدی دانشمندان کجا خواهد بود
پژوهشگران اکنون به دنبال نشانگرهای رصدی مستقیم از تغییرات زمانی فراوانی عناصر در حلقه‌های تاجی خواهند بود — اندازه‌گیری‌هایی که نیازمند طیفسنجی با فواصل زمانی کوتاه (high-cadence spectroscopy) و کالیبراسیون دقیق است. اگر این تغییرات فراوانی تأیید شوند، آن‌ها به مدلهای گسترده‌تر جو خورشیدی و باد خورشیدی وارد شده و توانایی پیشبینی تأثیرات هوافضایی (پیشبینی فضای هوا) ناشی از انفجارهای تاجی و فوران‌های جرمی تاجی را بهبود خواهند داد.
برای عموم مردم، این ایده که عملاً «باران» روی خورشید می‌بارد — یک آب و هوای بیگانه ساخته‌شده از پلاسماهای فوق‌گرم که قوس‌های مغناطیسی را دنبال می‌کنند — همچنان یک تصویر قوی باقی می‌ماند. کار جدید ما را یک گام به توضیح نه تنها نمایش چشمگیر، بلکه شیمی و فیزیک زیربنایی که این پدیده را سامان میدهند نزدیک‌تر می‌کند.
جزئیات فنی بیشتر درون مدل‌ها نشان می‌دهد که اثراتی مانند اثر احتمال یونش اول (First Ionization Potential یا FIP) و تفکیک عنصری بین لایه‌های مختلف جو میتواند نقش کلیدی در چگونگی توزیع عناصر ایفا کند. در نتیجه، ترکیب‌بندی پلاسما در مقیاس کوچک — که توسط فرایندهایی مانند انتشار، جریانهای هم‌رفتی، و تعامل موجی-مغناطیسی تنظیم میشود — میتواند به‌صورت محلی اتلاف تابشی را تقویت یا کاهش دهد و بدین ترتیب نقطه آغازی برای تراکم و باران تاجی فراهم آورد. اضافه بر این، پاسخ حلقه‌ها به گرمایش ناگهانی و نرخ تبادل جرم بین تاج و سطوح زیرین، از جنبه‌هایی هستند که در مدلهای آینده باید با دقت بیشتری مدنظر قرار گیرند.
در نهایت، ترکیب رصدهای چندطیفی — از طیفسنجی اشعه ایکس و فرابنفش گرفته تا تصویربرداریِ نوریِ با وضوح‌بالا و داده‌های میدان مغناطیسی سطحی — ضروری است تا بتوانیم آستانه‌های خنکشدن و شرایط اولیه لازم برای شکلگیری باران تاجی را تعیین کنیم. این دانش نه تنها برای پژوهش بنیادی در فیزیک خورشیدی اهمیت دارد، بلکه برای مدل‌سازی سامانهٔ آب‌وهوا فضایی و کاهش خطرات آن بر فناوری‌های فضایی و شبکه‌های زمینی حیاتی است.
منبع: sciencealert
نظرات
مکس_
خوبه ولی یخورده احساس می‌کنم روش‌ها شتاب‌زده ان، کلی فرض ساده شده هست، تا وقتی رصد قوی نباشه باید محتاط باشیم
امیر
معقول به نظر میاد، سرعت خنکشدن با غنی‌شدن آهن منطقیه. اما کار رصدی سخته ، منتظر داده‌های با کادنس بالا بمونیم
لابکور
یادم میاد تو کلاس فیزیک پلاسمایی استاد می‌گفت ترکیب عنصری مهمه؛ خوشحالم حالا مدل‌ها هم اینو جدی گرفتن. سوال: چطور می‌خوان تغییرات زمانی رو رصد کنن؟
توربو
این شبیه‌سازی‌ها واقعی می‌تونه رفتار خورشید رو نشون بده؟ یا خیلی ساده‌سازی شده ان؟ یه توضیح کوتاه درباره حساسیت مدل لازم بود
دیتاپالس
واااو، تصور اینکه توی تاج خورشید «بارون» بیاد هیجان‌انگیزه! اما ایده‌ی تاثیر تغییر ترکیب عناصر رو باور نکرده بودم، جزییات بیشتر لطفا…
ارسال نظر