طوفان خورشیدی احتمالی که کمربندهای اورانوس را تقویت کرد

چهار دهه پس از عبور تاریخی فضاپیمای Voyager 2 از کنار اورانوس، پژوهشگران موسسه پژوهشی جنوب‌غربی (SwRI) پیشنهادی قانع‌کننده برای توضیح اندازه‌گیری‌های مرموز تشعشعات در اطراف این سیاره مطرح کرده‌اند: احتمال دارد یک اختلال قدرتمند در باد خورشیدی کمربندهای الکترونی اورانوس را تا سطح‌های بسیار بالایی تقویت کرده باشد.

دانشمندان اکنون بر این باورند که یک رویداد بزرگ باد خورشیدی در هنگام عبور Voyager 2، کمربندهای تشعشعی اورانوس را به‌شدت شارژ کرده است و این مفهوم می‌تواند توضیحی تازه برای اندازه‌گیری‌های دهه‌ها قدیمی و گیج‌کننده ارائه دهد. امواج قدرتمندی که در نتیجه طوفان‌های خورشیدی آزاد می‌شوند، ممکن است کلید درک تشعشعات فوق‌العاده قوی باشند.

معمایی چهار دهه‌ای: واقعیتِ آنچه Voyager 2 مشاهده کرد

وقتی Voyager 2 در ژانویهٔ 1986 از کنار اورانوس عبور کرد، دستگاه‌های آن تشعشعات الکترونی بسیار شدیدی را ثبت کردند که در مگنتوسفر سیاره گرفتار شده بودند. انرژی‌های اندازه‌گیری‌شده به‌طور قابل توجهی از پیش‌بینی‌های مدل‌ها و مقایسه با سیارات دیگر بالاتر بود. در آن زمان پژوهشگران فرض کردند زاویهٔ نامعمول محور مغناطیسی اورانوس و هندسهٔ غیرمعمول مگنتوسفر ممکن است خوانش‌ها را غیرعادی جلوه داده باشد؛ اما مکانیزم قانع‌کننده‌ای که بتواند جمعیت‌های الکترونی با انرژی بالا را به‌مدت طولانی تولید کند وجود نداشت.

Voyager 2 تا امروز تنها فضاپیمایی است که از کنار اورانوس عبور کرده؛ بنابراین همان مجموعه دادهٔ واحد برای چند دهه، پایهٔ درک ما از محیط فضایی این سیاره بوده است. این ناهنجاری سوالات نظری و عملی را مطرح کرد: هندسهٔ منحصر به‌فرد میدان مغناطیسی اورانوس چگونه با اختلالات گاه‌به‌گاه باد خورشیدی تعامل می‌کند و آیا پدیده‌های موقتی هوافضایی می‌توانند شرایط تشعشعی لحظه‌ای اما شدید ایجاد کنند؟ پاسخ به چنین پرسش‌هایی برای برنامه‌ریزی مأموریت‌های آینده و طراحی محافظت از تجهیزات فضایی حیاتی است.

دانشمندان SwRI اثرات هوافضای یک ساختار سریع باد خورشیدی (پنل اول) را که در سال 2019 طوفان شدیدی را در زمین ایجاد کرد (پنل دوم) با شرایطی که Voyager 2 در سال 1986 در اورانوس مشاهده کرد (پنل سوم) مقایسه کردند تا شاید معمای 39 سالهٔ کمربندهای تشعشعی شدید را حل کنند. موج «کوروس» نوعی تابش الکترومغناطیسی است که می‌تواند الکترون‌ها را شتاب دهد و ممکن است نتیجهٔ همان طوفان خورشیدی باشد. اعتبار تصویر: Southwest Research Institute

چگونه یک ویژگی باد خورشیدی می‌توانست کمربندهای اورانوس را تغذیه کند

تحلیل جدید حولِ ساختاری به نام ناحیه تعامل هم‌چرخشی (Co-rotating Interaction Region یا CIR) متمرکز است — مرزی در باد خورشیدی که جریان‌های پلاسمایی سریع و کند با هم برخورد می‌کنند، میدان‌های مغناطیسی را فشرده کرده و فعالیت موجی شدیدی را برمی‌انگیزند. در اطراف زمین، CIRها و اختلالات مرتبط می‌توانند تابش‌های الکترومغناطیسی «کوروس» را برانگیزند که به‌طور کارآمد الکترون‌های به دام‌افتاده را به سطوح انرژی بالاتر شتاب می‌دهند.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

راز رنگ منحصربه‌فرد اورانوس: چرا سیاره آبی-سبز است؟

رنگ‌های شگفت‌انگیز سیارات: نگاهی اجمالی با تماشای سیارات منظومه شمسی از طریق تلسکوپ قدرتمند، دنیای گازی...

دکتر رابرت آلن از SwRI، نویسندهٔ اصلی مطالعه، می‌گوید تیم از رویکرد مقایسه‌ای استفاده کرده است: «علم از زمان عبور Voyager 2 بسیار جلو آمده است. ما تصمیم گرفتیم با رویکردی مقایسه‌ای داده‌های Voyager 2 را با مشاهدات زمینی که طی دهه‌های اخیر انجام داده‌ایم مقایسه کنیم.» یافته‌های آن‌ها نشان می‌دهد امضای ثبت‌شده توسط Voyager در اورانوس شبیه شرایطی است که وقتی یک CIR یا ساختار سریع باد خورشیدی از درون یک مگنتوسفر می‌گذرد، پدید می‌آید؛ وضعیتی که امواج با فرکانس بالا تولید می‌کند که هم ذرات را پراکنده می‌سازند و هم، در شرایط خاص، آن‌ها را شتاب می‌دهند.

هم‌نویسندهٔ SwRI، دکتر سارا واینز، مثال زمینی اخیر را این‌گونه شرح می‌دهد: «در سال 2019، زمین یکی از این رویدادها را تجربه کرد که موجب شتاب عظیمی در الکترون‌های کمربند تشعشعی شد. اگر مکانیسم مشابهی با سامانهٔ اورانوسی تعامل داشته باشد، می‌تواند توضیح دهد چرا Voyager 2 این مقدار انرژی اضافی و غیرمنتظره را دیده است.»

در تبیین فیزیک، لازم است توجه کنیم که تقویت کمربندهای تشعشعی معمولاً حاصل تعادل پیچیده‌ای میان منابع شتاب‌دهی (مثل امواج کوروس و انتشار شعاعی) و فرآیندهای دفع (مثل پراکندگی به جو و نشت رادیالی) است. در حضور یک محرک گذرا اما قدرتمند مانند CIR، نرخ‌های شتاب‌دهی می‌توانند برای مدت کوتاهی افزایش یابند و توزیع انرژی الکترون‌ها را به‌سرعت به‌سمت مقادیر بالاتر سوق دهند؛ نتیجه این فرآیندها ثبت پیک‌های انرژی بالا توسط فضاپیماها خواهد بود.

چرا امواج کوروس اهمیت دارند و ذرات چگونه انرژی می‌گیرند

امواج کوروس (Chorus) نوعی تابش پلاسمایی هستند که در بسیاری از مگنتوسفرهای سیاره‌ای مشاهده شده‌اند. این امواج هنگامی شکل می‌گیرند که الکترون‌های پرانرژی با ناهنجاری‌های میدان مغناطیسی برهم‌کنش می‌کنند و از طریق برهم‌کنش‌های تشدیدی موج–ذره می‌توانند انرژی به دیگر الکترون‌ها منتقل کنند. بسته به دامنهٔ موج، فرکانس و شرایط پلاسما در زمینه، این تابش‌ها یا ذرات را به جو پراکنده می‌کنند یا آن‌ها را به جمعیت‌های با انرژی بالاتر شتاب می‌دهند و در نتیجه کمربندهای تشعشعی را تقویت می‌کنند.

در اورانوس که محور مغناطیسی به‌طور چشمگیری مایل و جابه‌جا شده است، هندسهٔ تولید موج و دام‌اندازی ذرات پیچیدگی بیشتری دارد. الگوهای مسیر ذرات (pitch-angle distributions)، نقاط اتصال میدان مغناطیسی و منافذی که ذرات می‌توانند از آن‌جا فرار کنند، همه تحت تأثیر این هندسهٔ نامتعارف قرار دارند. یک محرک گذرا و شدید مانند CIR می‌تواند ترکیب مناسب توان موجی و زمان‌بندی را ایجاد کند تا به‌طور موقت انرژی الکترون‌ها را افزایش دهد — وضعیتی که منجر به خوانش‌های افراطی Voyager 2 شده است.

فیزیک تشدید در امواج کوروس معمولاً شامل برهم‌کنش‌های چرخشی-الکترومغناطیسی است که در آن الکترون‌ها با امواج نوع «هیسلر» (whistler-mode) یا امواج مشابه برهم‌کنش می‌یابند. در این برهم‌کنش‌ها، شرط تشدید وابسته به سرعت موازی الکترون نسبت به میدان مغناطیسی و فرکانس موج است؛ وقتی شرط تشدید برقرار شود، انتقال انرژی بسیار مؤثر است و الکترون‌ها می‌توانند در مقیاس زمانی نسبتاً کوتاهی به انرژی‌های چندصدهزار تا میلیون‌ها الکترون‌ولت (keV–MeV) برسند. چنین افزایش‌هایی در انرژی، اثر بزرگی بر ساختار و قدرت کمربند تشعشعی خواهند داشت.

پیامدها برای مأموریت‌های آینده و دانش غول‌های یخی

نتایج جدید بیش از آن‌که صرفاً یک روشنگری تاریخی باشند، پیامدهای عملی و علمی گسترده‌ای دارند. اگر رویدادهای گذرای هوافضا بتوانند به‌سرعت محیط تشعشعی یک سیاره را دگرگون کنند، طراحان مأموریت باید این خطرات دوره‌ای را هنگام طراحی الکترونیک فضاپیما، انتخاب مواد محافظتی و برنامه‌ریزی آزمایش‌های اندازه‌گیری برای اورانوس یا نپتون مدنظر قرار دهند. ارزیابی ریسک شامل سناریوهای احتمالی طوفان‌های خورشیدی، تحلیل‌های آسیب‌پذیری قطعات حساس و شبیه‌سازی‌های تشعشع خواهد بود.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

لکه های خورشیدی: معمای دیرینه در فیزیک خورشیدی

لکه‌های خورشیدی: معمای تاریخی در فیزیک خورشیدی بیش از چهار قرن است که لکه‌های خورشیدی—نواحی تیره...

«این یک دلیل دیگر برای فرستادن مأموریتی اختصاصی به اورانوس است»، آلن گفت. «یافته‌ها پیامدهای مهمی برای سامانه‌های مشابه، مثل نپتون، هم دارند.» اندازه‌گیری‌های بهتر در محل (in situ) می‌تواند روشن کند که آیا لحظه‌ای که Voyager 2 ثبت کرده یک جهش نادر بوده یا بخشی از پدیده‌ای تکرارشونده در گوشه‌های بیرونی سامانهٔ خورشیدی است.

برای طراحی مأموریت‌های آینده، نکات فنی زیر باید مورد توجه قرار گیرد:

• حافظت الکترونیکی و طراحی رادیاسیون‌شیلدینگ متناسب با سناریوهای گذرای شدید.
• ابزارهای سنجش موج و ذره با پهنای باند و حساسیت کافی برای ثبت امواج کوروس و توزیع انرژی الکترون‌ها.
• مدل‌های دینامیک مگنتوسفر که تعامل میان باد خورشیدی، CIRها و هندسهٔ خاص میدان مغناطیسی اورانوس را شبیه‌سازی کنند.
• آرایش مأموریت‌هایی که امکان پایش طولانی‌مدت و مقایسه‌ای را فراهم آورند تا عبورهای گذرا از داده‌ی تنها یک عبور (مثل Voyager 2) فاصله گرفته شود.

هم‌چنین، تحلیل داده‌ها و مدل‌سازی باید شامل بهره‌گیری از تجربیات زمین‌شناختی و مطالعهٔ مقایسه‌ای مگنتوسفرها (comparative magnetospheric science) باشد تا از داده‌های پراکندهٔ عبوری بیشترین اطلاعات استخراج شود. ترکیب داده‌های تاریخی با نظریهٔ مدرن هوافضا و ابزارهای محاسباتی پیشرفته می‌تواند دقت پیش‌بینی‌های محیط تشعشعی را به‌طور چشمگیری افزایش دهد.

دیدگاه کارشناسان

دکتر النا مورالِس، فیزیک‌دان فضای سیاره‌ای که با این مطالعه مرتبط نیست، اشاره می‌کند: «علم مقایسه‌ای مگنتوسفری قدرتمند است. با مطالعه رویدادهای مشابه در زمین می‌توانیم اندازه‌گیری‌های پراکندهٔ عبورهای دوردست را رمزگشایی کنیم. این کار نشان می‌دهد چقدر مهم است که داده‌های تاریخی را با نظریهٔ مدرن هوافضا جفت کنیم — مخصوصاً پیش از طراحی ابزارهای مأموریت‌های آینده به اورانوس.»

درک محرک‌های گذرا مانند CIRها، تولید امواج کوروس و نقش آن‌ها در شتاب‌دهی ذرات، مدل‌های مگنتوسفری سیارات را تیزتر می‌کند و پیش‌بینی‌های خطرات تشعشعی در سراسر سامانهٔ خورشیدی را بهبود می‌بخشد. برای اکنون، خوانش‌های شگفت‌آور Voyager 2 کمتر یک راز محض و بیش‌تر به‌عنوان هشداری مفیدند: هوافضای سیارات خارجی پویا است و بهترین پاسخ‌ها از مأموریت‌های جدیدی خواهد آمد که توانایی رصد آن دینامیک را در زمان واقعی دارند.

در جمع‌بندی علمی، این پژوهش به چند نکتهٔ کلیدی اشاره می‌کند: احتمال وقوع رویدادهای گذرای تشعشعی در ناحیهٔ اورانوس، اهمیت نقش ساختارهای پیچیده باد خورشیدی مانند CIRها و ضرورت به‌کارگیری رویکردهای مقایسه‌ای در درک داده‌های تاریخی. افزون بر این، پیامدهای این یافته‌ها برای برنامه‌ریزی مأموریت‌های کاوشگری، طراحی محافظ‌های تشعشعی و انتخاب ابزارهای سنجشی اهمیت عملی دارند، به‌ویژه اگر قرار باشد مأموریتی دقیق‌تر و بلندمدت به غول‌های یخی فرستاده شود.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

پیگیری تأثیرات حفره های تاج خورشیدی بزرگ بر زمین توسط دانشمندان

دانشمندان تأثیر حفره بزرگ تاج خورشیدی بر زمین را رصد می‌کنند اخیرا یک حفره وسیع در...