9 دقیقه
مشاهدات نزدیک و جدید از کاوشگر ناسا، Parker Solar Probe، نشان میدهد که سطح آلفوِن خورشید — مرزی نامرئی که در آن باد خورشیدی از تسلط میدان مغناطیسی ستاره رها میشود — در حال گسترش است و با تکامل فعالیت خورشیدی ساختارهای نوکتیز و برجستهتری پیدا میکند. این نقشهبرداری مستقیم تأیید میکند آنچه نظریهپردازان سالها پیش پیشبینی کرده بودند و پنجرهای شفافتر به دینامیک ناحیههای نزدیک به خورشید و فیزیک پلاسما میگشاید.
نقشهبرداری مرز مغناطیسی خورشید
سطح آلفوِن به ناحیهای اطلاق میشود که در آن ذرات باردار حملشده توسط باد خورشیدی به سرعتهایی میرسند که اجازه میدهد از نفوذ میدان مغناطیسی خورشید رها شوند. تا زمانی که کاوشگر پارکر به حضیضهای خورشیدی نزدیک میشد، دانشمندان تنها میتوانستند این مرز را از طریق اندازهگیریهای دوردست و استنتاجهای نظری پیبینی کنند. دادههای با وضوح بالا حاصل از چندین گذر نزدیک اکنون نشان میدهد که این سطح بزرگتر و نامنظمتر شده و دارای برآمدگیها و زوایای برجستهای است که با چرخهٔ خورشیدی تغییر میکنند. این نتایج برای مطالعات میدان مغناطیسی، پدیدههای تلاطم پلاسما و شکلگیری باد خورشیدی اهمیت زیادی دارد؛ زیرا نشان میدهند که مرز آلفوِن نهتنها تابعی از فاصله بلکه تابعی از شرایط محلی پلاسما و میدان مغناطیسی است.
در تحلیلهای انجامشده، محققان از معیارهای مختلفی برای تعریف دقیق محل عبور از رژیمِ تحتِ تسلطِ میدانِ مغناطیسی به رژیمِ غالبِ دینامیکی استفاده کردند؛ از جمله نسبت سرعت جریان ذرات به سرعت موج آلفوِن محلی و تغییرات تراکم پلاسما و میدان مغناطیسی. این رویکرد ترکیبی باعث شد تا نقشهٔ زمانمند (time-resolved) از سطح آلفوِن ساخته شود که نمای روشنی از نوسانات فضایی و زمانی مرز ارائه میدهد. ضمن اینکه، مشاهدهٔ ساختارهای نوکتیز و برجسته در سطح آلفوِن نشان میدهد که تعامل بین جتهای کوچک، جریانهای باز و بستهٔ میدان مغناطیسی و مناطق فعال خورشیدی میتواند شکل کلی مرز را بهطرزی مشهود دگرگون کند.
استفادهٔ مکرر پارکر از اندازهگیریهای میدانی و پلاسما در زوایا و فواصل مختلف نسبت به خورشید به محققان اجازه میدهد تا مرز آلفوِن را بهصورت سهبعدی و در بازههای زمانی کوتاه دنبال کنند؛ چیزی که پیش از این تنها در مدلهای نظری و شبیهسازیهای پیچیده دیده میشد. بنابراین، علاوه بر تأیید پیشبینیهای نظری، این نتایج معیارهای جدیدی برای اعتبارسنجی شبیهسازیهای دینامیک پلاسما و مدلهای وقوع و توسعهٔ باد خورشیدی فراهم میآورد.
واژههای کلیدی مرتبط با این بخش شامل: سطح آلفوِن، باد خورشیدی، میدان مغناطیسی خورشید، تراکم پلاسما، سرعت موج آلفوِن و نقشهبرداری نزدیک به خورشید هستند که باید در متون علمی و خبری بهکار گرفته شوند تا در سئوی محتوا برای جستجوهای مرتبط با کاوشگر پارکر و فیزیک خورشیدی مؤثر باشند.
«ما انتظار داشتیم این مرز هم بزرگتر شود و هم با افزایش و کاهش فعالیت خورشیدی تیزتر و دارای شیارها و زوایای برجسته گردد»، میگوید دکتر بدمن، یکی از پژوهشگران پروژه. «مشاهدات پارکر به ما امکان میدهد این تغییرات را نقشهبرداری کنیم و آنها را مستقیماً به شرایط محلی پلاسما و میدان مغناطیسی مرتبط سازیم.» این تأکید بر همبستگی میان دادههای میدانی و نتایج تئوریک اهمیت دارد، زیرا نشان میدهد که تحلیلهای همزمان از پارامترهای چندگانه — مانند چگالی پلاسما، سرعت جریان و مؤلفههای میدان مغناطیسی — برای تعیین دقیق مرز آلفوِن ضروری است.
اهمیت این کشف فراتر از خورشید
دانستن دقیق محل پایانِ کنترلِ میدانِ مغناطیسی برای مدلسازی چگونگی شکلگیری باد خورشیدی، پیشبینی هوافضا (فضاهوا یا space weather) و پیشبینی مسیر ذرات انرژیدار در هلیوسفر اهمیت حیاتی دارد. شناخت مرز آلفوِن و رفتار آن بهویژه برای پیشبینی رخدادهای پرانرژی مثل فورانهای تاجی و پرتاب جرمی تاجی (CMEs) مفید است، زیرا این رخدادها در صورتی که مرز آلفوِن در شرایط خاصی گسترش یا تضعیف یابد، میتوانند به شیوههای متفاوتی به فضای میانسیارهای منتقل شوند و اثرات متفاوتی بر سامانهٔ زمین و سامانههای فضایی داشته باشند.
برای ستارگان دیگر — بهویژه آنهایی که میدان مغناطیسی قویتری نسبت به خورشید دارند — مرز آلفوِن میتواند بسیار دورتر در فضا گسترش یابد. این گسترشِ میدان مغناطیسی میتواند بر سیاراتی که بهصورت نزدیک به ستاره گردش میکنند تأثیر بگذارد؛ بهعنوان نمونه میتواند شار ذرات پرانرژی را افزایش دهد، به فرایندهای فرسایش جو سرعت ببخشد یا شرایط زیستپذیری را تغییر دهد. بنابراین، مطالعهٔ سطح آلفوِن در خورشید بهعنوان نزدیکترین نمونهٔ قابل دسترس، چارچوبی کاربردی برای درک رفتارهای مشابه در منظومههای ستارهای دیگر فراهم میآورد و به اخترزیستشناسان و محققان دینامیک فضایی کمک میکند تا اثرات میدان مغناطیسی ستارگان بر سیارات را بهتر برآورد کنند.
نقش این یافتهها در ارتقای مدلهای پیشبینی فضاهوا نیز قابل توجه است: مدلهایی که محاسبهٔ مرز آلفوِن را بهدرستی در بر میگیرند میتوانند بهتر مسیر و شدت ذرات باردار را در هلیوسفر تعیین کنند و در نتیجه هشدارهای دقیقتری برای ماهوارهها، فضانوردان و شبکههای زمینی فراهم آورند. به علاوه، در مطالعات مربوط به محافظت جوّی سیارات فراخورشیدی، پارامترهای مربوط به گسترش میدان مغناطیسی و موقعیت سطح آلفوِن جزو ورودیهای تعیینکننده برای سنجش فرسایش جو و شرایط تابشی سطحی هستند.
چگونه پارکر این مرز را اندازهگیری کرد
کاوشگر خورشیدی پارکر مجموعهای از اندازهگیریها را در هر حضیض خورشیدی انجام میدهد: تراکم پلاسما، سرعت جریان، مؤلفههای میدان مغناطیسی و تغییرات طیفی موجها و ذرات. با تحلیل نقاطی که در آن سرعت ذرات از سرعت موج آلفوِن محلی فراتر میرود، و با همگامسازی این گذرها با تغییرات فعالیت خورشیدی — شامل نواحی فعال، فورانها و ساختارهای میدان — محققان نقشهای زمانمند از سطح آلفوِن ساختند. این روش امکان تعیین موقعیتهای مشخصی را که در آنها سیال پلاسما استقلال نسبی از میدان مغناطیسی پیدا میکند فراهم میآورد؛ مفهومی کلیدی برای تعریف مرز آلفوِن.
علاوه بر تشخیص نقاط عبور، تیم پژوهشی از تکنیکهای آماری و فیلترهای زمانی-فرکانسی برای حذف نویزها و تفکیک سیگنالهای ناشی از امواج مختلف (مانند امواج آلفوِن و امواج دیگر پلاسما) استفاده کردند. این امر اجازه میدهد تا تشخیص عبور از مرز بدون ابهام بیشتری انجام شود و همچنین ساختارهای فرعی و کوتاهمدت سطح آلفوِن شناسایی گردد. تکرار این اندازهگیریها در حضیضهای متعدد و در زوایای متفاوت نسبت به خط بین خورشید و کاوشگر نیز به ایجاد یک نقشهٔ سهبعدی و زمانبهزمان کمک کرد که نشاندهندهٔ پویایی سطح آلفوِن در پاسخ به تغییرات چرخهٔ خورشیدی است.
در عمل، اندازهگیری دقیق سرعت موج آلفوِن محلی نیازمند دانستن چگالی پلاسما و شدت میدان مغناطیسی است؛ دو کمیت که پارکر بهصورت مستقیم یا از طریق سنجههای مشتقشده بهدست میآورد. با تلفیق این پارامترها و تحلیلهای مقطعی، پژوهشگران قادر شدند موقعیتهای انتقال میان حالت مغناطیسی-محور و حالت شارش پلاسما را تعیین کنند — و از این طریق نقشهای از سطح آلفوِن که شامل بخشهای نوکتیز و برآمده است بسازند.
با ادامهٔ مشاهدات پارکر، بهویژه در مسیر به سمت کمینهٔ خورشیدی، انتظار میرود که این نقشهها پالایش شوند و مدلهای فیزیکی مربوطه بهبود یابند. دادههای اضافهتر بهویژه در فازهای مختلف چرخهٔ خورشیدی به تفکیک بهتر نقش منابع میدان مغناطیسی (مانند لکههای خورشیدی و نواحی قطبی) در شکلدادن به سطح آلفوِن کمک خواهد کرد.
پیامدهای گسترده و گامهای بعدی
گسترش و افزایش نامنظمی سطح آلفوِن که اکنون با دادههای پارکر تأیید شده، پیشبینیهای نظری را اعتبار میبخشد و چارچوب عملیای برای مأموریتهای آینده درون هلیوسفری فراهم میکند. یافتهها نشان میدهد که برای درک کامل انتقال انرژی و ذرات از خورشید به فضاهای میانسیارهای، باید نقش ساختارهای مقیاس کوچک و تغییرات زمانی محلی میدان مغناطیسی و پلاسما بهطور جدی در نظر گرفته شوند. این بینش میتواند طراحی مأموریتهای آتی را برای کاوش نزدیکتر به خورشید یا برای نمونهبرداری از نواحی خاصی از هلیوسفر، بهتر هدایت کند.
با جمعآوری دادههای بیشتر از گذرهای نزدیکتر و در بازههای زمانی مختلف، تیم پژوهشی قادر خواهند بود تکامل مرز را در زمان تقریبی واقعی (near real-time) پیگیری کنند — موضوعی که بهعنوان یک آزمایشگاه بیسابقه برای آزمون نظریات میدان مغناطیسی و فیزیک پلاسما عمل خواهد کرد. چنین تواناییای، علاوه بر ارتقای دانش بنیادی، کاربردهای عملی در پیشبینی وقایع فضاهوا دارد که برای صنایع فضایی و ارتباطات ماهوارهای حیاتی است.
در سطح بینرشتهای، این نتایج اهمیت قابلتوجهی برای اخترفیزیک ستارهای و اخترزیستشناسی دارد؛ زیرا الگوهای شکلگیری و گسترش سطح آلفوِن در ستارگان دیگر میتواند نشانگر چگونگی تأثیر میدانهای مغناطیسی بر فرایندهای فرسایش جو و شرایط تابشی بر سیارات نزدیک باشد. در نتیجه، پژوهشهای آینده که پیوند میان اندازهگیریهای مستقیم از خورشید و شبیهسازیهای ستارهای را مستحکمتر کنند، چشمانداز وسیعتری برای ارزیابی پایداری محیطهای سیارهای فراهم میآورند.
در پایان، نتایج اخیر نشان میدهد که ادغام دادههای میدانی با مدلسازیهای نظری، و انجام اندازهگیریهای پیوسته و دقیق توسط مأموریتهایی مانند پارکر، کلید باز کردن رازهای مرزهای مغناطیسی درون هلیوسفر است؛ مرزهایی که علاوه بر اهمیت علمی، پیامدهای عملی فراوانی برای فناوریهای فضایی و درک زیستپذیری سیارات فراخورشیدی دارند.
منبع: sciencealert
ارسال نظر