کشف باران های تاجی شکل و پاسخ به دو راز بزرگ فیزیک خورشید

در اواسط سال 2017، امیلی مِیسون، به مدت پنج ماه یک کار تکراری را، هر روز انجام داد. آن کار این بود که هر روز به دفترش در مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا، در گرین بلت می­رفت، پشت میزش می­نشست، و بعد از  روشن کردن کامپیوترش به بررسی تصاویر سطح خورشید، می­پرداخت.

مِیسون حدس می­زد : " من  احتمالا روی داده های با ارزشی که سه یا پنج ساله هستند، کار می­کنم." و در نهایت  در اکتبر سال 2017، تحقیقات او پایان یافت و به این نتیجه رسید که تمام این مدت دنبال سوژه ی اشتباهی بوده ­است.

مِیسون، دانشجوی فارغ التحصیل از دانشگاه کاتولیک آمریکا در واشنگتن، در جستجوی باران های حلقه ای بود، همان حباب های غول آسای پلاسما یا گاز های الکتریکی که از اتمسفر یا جو بیرونی خورشید به سطح آن می­ریزند. اما او انتظار داشت که آن ها را در ناحیه ای ببیند که در تصویر زیر با رنگ سبز نشان داده است.

در این تصویر که مربوط به خورشیدگرفتگی در نوامبر سال 1994 است، از اطراف قرص پوشیده شده ی خورشید، قسمت های مختلفی از سطح آن و اتفاقاتی که در آن رخ می­دهد را می­توان مشاهده کرد.

ناحیه ی سبز رنگ در تصویر فوق شامل حلقه های روشنی در اطراف خورشید است که میدان­های مغناطیسی را به هم متصل می­کنند. ارتفاع این حلقه­های مغناطیسی به میلیون­ها مایل می­رسد که به دلیل تشابه آن به کلاه­خود­های شوالیه­ها، "کلاه یا تاج" نام گذاری شده ­است. این حلقه­ها را می­توان در طی یک خورشیدگرفتگی در اطراف قرص پوشیده شده­ی خورشید، مشاهده کرد. شبیه سازی­های کامپیوتری نشان می­داد که باران­های حلقه­ای ممکن است در همین نواحی رویت شوند. مشاهداتی که از بادهای خورشیدی وجود داشت و فرار گازهای سطح خورشید به سمت فضای خارج از آن، از این ناحیه، دلایلی بر وجود باران­ها در این ناحیه بودند و اگر مِیسون می­توانست به آن دست یابد، فلسفه ی فیزیکی ایجاد این بارش­ها، می­توانست پاسخ خیلی خوبی به راز 70 ساله ای باشد که چرا اتمسفر خارجی خورشید که با نام کرونا، شناخته می­شود، بسیار گرم تر از سطح آن است؟

اما بعد از حدود نیمی از سال تحقیقات، مِیسون نتوانست آن را پیدا کند. او گفت: " من برای پدیده­ای بسیار تحقیق کردم، که درنهایت اتفاق نیافتاد."

مشکل او این نبود که به دنبال پدیده­ی اشتباهی بود و فکر می­کرد اتفاق نیافتاده است بلکه او تنها مکان اشتباهی را برای رخ دادن آن بررسی می­کرد. در مقاله ای که در پنجم آوریل  2019، در مجله­ی آستروفیزیکال منتشر شد، میسون و همکارش، اولین مشاهدات را درباره­ی باران­های حلقه­ای یا تاجی شکل بیان کردند. این باران­ها در ناحیه­ای مشاهده شد که حلقه­های مغناطیسی کوچکتری نسبت به ناحیه­ی مورد انتظار آنها، در آن وجود داشت که پیش از این به آن توجهی نمی­کردند و نادیده گرفته می­­­شد. بعد از مدت­ها، جستجوی فراوان در مکان اشتباهی برای یافتن این باران­ها، این اکتشاف توانست بین دو راز بزرگ که دنیای مربوط به علوم خورشیدی با آن روبروست، ارتباط برقرار کند یعنی علت گرمای غیرعادی و عجیب کرونا (اتمسفر خارجی خورشید) و منبع بادهای آهسته در سطح خورشید.

چگونگی بارش باران در خورشید

طبق مشاهدات ثبت شده از طریق تلسکوپ فضایی SDO ناسا، که رزولوشن و وضوح تصویر بالایی دارد، خورشید، این گوی داغ مملو از پلاسما و پر از حلقه­های غول آسای آتشین که نواحی مغناطیسی سطح آن را به هم متصل می­کند، به نظر می­رسد از نظر فیزیکی تشابهات ناچیزی با زمین داشته باشد. و اما سیاره ی خانگی ما، اطلاعات مفیدی به ما می­دهد که در تجزیه و تحلیل اتفاقات پرتلاطم و نامنظم خورشیدی، به ما کمک می­کند. در میان این پدیده ها، می­توان از "باران" نام برد.

در سیاره­ی زمین، باران تنها بخش کوچکی از چرخه ی بزرگ آب است. درواقع مرحله­ی پایانی مسابقه­ای است که بین کشمکش­های گرما و جاذبه­ی زمین، اتفاق می­افتد. این چرخه زمانی شروع می­شود که آب مایع، که در سطح سیاره­ی زمین، در اقیانوس­ها، دریاچه­ها و رودها، جمع شده است، مورد تابش گرمای خورشید قرار می­گیرد. بخشی از آنها تبخیر شده و وارد هوا می­شود و در آنجا پس از خنک شدن، منقبض شدن و چگال تر شدن به ابر تبدیل می­شود. درنهایت، ابرها آنقدر سنگین می­شوند که نمی­توانند در برابر قدرت جاذبه مقاومت کنند و به صورت "باران" به زمین سرازیر می­­شوند و این چرخه به همین صورت، ادامه پیدا می­کند.

طبق گفته ی مِیسون، در خورشید نیز، روند بارش به همین صورت است. او در ادامه گفت: " اما به جای آب 60 درجه، با پلاسمای چند میلیون درجه مواجه هستیم!" پلاسما، که یک گاز الکتریکی است، مانند آب در یک جای خاص جمع نمی­شود، بلکه به صورت حلقه های مغناطیسی که در سطح خورشید وجود دارند، مانند مسیر یک ترن هوایی، ظاهر می­شود. در نقطه­ی پایانی این حلقه­ها، (حلقه­هایی شبیه آنچه در تصویر زیر می­بینید) جایی که حلقه هنوز در سطح خورشید است، دمای پلاسما بسیار بالاست و از دمای چند هزار درجه، به بالای 1.8میلیون درجه فارنهایت می­رسد سپس بالا می­رود و به شکل حلقه­ای ادامه می­یابد و در قله­ی آن، جایی دور از منبع گرما جمع می­شود. در این هنگام زمانی که پلاسما سرد شد، دچار انقباض شده و در دام جاذبه گرفتار می­شود و اینجاست که به صورت باران تاجی شکل به سطح خورشید فرو می­ریزد.

تصویری شبیه سازی شده از بخش بالایی جو خورشید که حلقه های پلاسمای داغ درآن مشاهده می­شود.

مِیسون در نواحی helmet streamer در خورشید ( یا همان نواحی که پیش تر از آن تحت عنوان "کلاه" یاد شد)، به دنبال این باران های تاجی شکل بود اما انگیزه­ی او  و تکاپویش برای جستجو در آن نواحی زمان زیادی از اون گرفت به طوری که به این چرخه ی گرم شدن و خنک شدن، بسیار بیشتر از خود باران توجه داشت. حداقل از اواسط سال 1990، دانشمندان دریافتند که نواحی "کلاه یا تاج" ، منبعی برای بادهای آرام خورشیدی هستند. بادها و جریان های نسبتا آرام با چگالی بالا که با وجود حرکت سریع خورشید، از سطح آن جدا شده و خارج می­شوند. اما اندازه گیری­ها از بادهای آرام خورشیدی نشان می­دهد که یک بار قبل از سرد شدن و خارج شدن از سطح خورشید، تا درجه­های بالایی بسیار گرم می­شوند. این چرخه­ی گرم و سرد شدن که در پس باران های تاجی شکل نهفته است، اگر در مناطق "تاجی"، اتفاق می­افتاد، می­توانست مانند تکه ای از یک پازل برای حل این معما باشد.

دلیل دیگری که مربوط به گرمای حلقه های کرونالی می­شود، این مسئله است که چرا و چگونه فضای خارج اتمسفر خوشید، 300 برابر گرم تر از دمای سطح آن است؟ به طرز شگفت انگیزی، شبیه سازی ها نشان داده­اند که باران های تاجی شکل، تنها زمانی اتفاق می­افتند که بخش های پایینی حلقه گرم شوند. مِیسون گفت: " اگر حلقه­ای حاوی باران های کرونالی باشد، به این معنی است که در پایین­تر از قسمتی که 10% ابتدایی و شروع حلقه یا کمتر از آن، را شامل می­شود، گرمایش برای حلقه اتفاق می­افتد." بارش های حلقه­ای، مانند یک میله­ی اندازه گیری عمل می­کنند. به این معنی که نقطه ای را مشخص می­کنند که نشان می­دهد حلقه در کدام قسمت خود گرم می­شود. شروع تحقیقات بر روی بزرگترین حلقه­هایی که می­توانستند پیدا کنند، به نظر می­رسید که هدف معقول و ساده­ای باشد که می­توانست شانس آنها را برای موفقیت بیشتر کند. آن ها یک ناحیه ی "کلاه" غول پیکر را برای این کار انتخاب کردند.

مِیسون بهترین اطلاعات ممکن را در این کار، در اختیار داشت. یعنی عکس هایی که توسط تلسکوپ فضایی ناسا یا SDO ثبت شده بود و یا فضاپیمایی که از زمان شروع فعالیتش هر دوازده ثانیه، از خورشید عکس برداری کرد. اما پس از حدودا نیمی از سالی که به تحقیق گذرانده شد، مِیسون هنوز قطره ای از باران در ناحیه ی "کلاه"، نیافته بود. گر چه، او یک بار توجه ناچیزی نیز به گروهی از ساختار های مغناطیسی کوچک در آن نواحی داشت اما برایش آشنا نبودند. مِیسون در این باره گفت: " آن ها واقعا درخشان بودند و چشمانم را به خود خیره کرده بودند. وقتی برای آخرین بار به آن ها نگاه کردم، به اندازه کافی مطمئنم که زمانی هزاران ساعت، بارش باران داشتند."

در ابتدا، مِیسون، بسیار بر روی تحقیقاتش در نواحی "تاج" متمرکز بود که طی آن به هیچ نتیجه ای نرسید. نیکولین ویال، دانشمند حوزه­ی خورشید در گودارد و همکار نویسنده ی مقاله­شان، گفت: " او (مِیسون) در جلسه­ی گروهی گفت من آنها را نیافتم. آن ها را بارها در ساختار های دیگر مشاهده کردم اما، نواحی که من مشاهده کردم، "کلاه" نبودند." و من گفتم :"صبر کن ... آن ها را کجا دیدی؟ فکر نکنم کسی پیش از این آن ها را دیده باشد."

اندازه گیری گرما

این ساختار از زوایای مختلفی با helmet streamer متفاوت بود اما قابل توجه ترین نکته درباره ی آن ها اندازه­شان بود.

اسپیرو آنتیوکوس، فیزیکدان خورشیدی در گودارد و نویسنده ی همکار در مقاله، گفت :"این حلقه ها بسیار کوچک­تر از آن چیزی بود که ما به دنبالش بودیم، بنابراین این نکته ما را متوجه این می­کند که گرمای منطقه­ی کرونا، بیش از آنچه که تصور می­کردیم، بومی است و از همان نواحی برمی­خیزد".

زمانی که نمی­شد از یافته ها، دریافت که چگونه در کرونا، گرما وجود دارد، مِیسون گفت:" آن ها از پایینِ ناحیه­ای که گرمای کرونال می­توانست اتفاق بیافتد، فشار وارد می­کنند." او باران های حلقه­ای را یافته بود که حدودا 30000 مایل ارتفاع داشتند، که در کل دو درصد ارتفاع " تاج" هایی بود که او در آن ها به جستجو می­پرداخت.

باران ها باعث چگالتر شدن مناطقی می­شود که ممکن است آن گرمایش کرونالیِ مهم و کلیدی در آنها اتفاق بیافتد. مِیسون گفت: "ما هنوز دقیق نمی­دانیم که چه چیزی باعث گرم شدن ناحیه ی کرونا (اتمسفر خورشید) می­شود، اما می­دانیم که هر چه باشد باید در همین لایه اتفاق بیافتد."

منابع جدید برای بادهای آرام خورشیدی

و اما بخشی از مشاهدات با فرضیه­های قبلی مطابقت ندارد. طبق یافته­های اخیر، باران­های حلقه­ای تنها در حلقه­های بسته تشکیل می­شود. جایی که پلاسما می­تواند بدون فرار و خروج از آنجا، جمع و سرد شود. اما وقتی مِیسون به وارسی داده­ها پرداخت، به نمونه هایی برخورد که این باران ها در خطوط مغناطیسی باز در حلقه ها، اتفاق افتاده بود. از یک سمت لبه­های حلقه به سطح خورشید وصل شده بود و از سوی دیگر در فضا معلق بود و در این حالت پلاسما می­توانست از آنجا به صورت بادهای آرام به فضا برود. برای توضیح این ناهنجاری، مِیسون و بقیه ی اعضای تیم، توضیح دیگری به جای توضیح قبلی خود، که طبق آن باران های خورشیدی تنها در حلقه­هایی با خطوط مغناطیسی بسته اتفاق می­افتاد، بیان کردند. توجیه جدید آنان باران ها را در این ساختارهای مغناطیسی کوچک، به منشأ بادهای آرام خورشیدی مرتبط می­کند.

طبق توضیح جدید آنان، باران پلاسما چرخه­ی خود را از یک حلقه­ی بسته شروع می­کند، اما سپس در فرآیندی که با نام بازسازی اتصال، از آن یاد می­شود، جا به جا می­شود، و به یک حلقه ی باز انتقال پیدا می­کند.

این پدیده مکرراً در خورشید اتفاق می­افتد و هنگامی که به یک حلقه با خطوط باز می­رسد، این سیستم را از سر می­گیرد و ناگهان، پلاسمای داغ که در یک حلقه ی بسته است، در مقابل خود یک راه باز می­بیند درست مانند قطاری که در یک ریل قرار بگیرد. مقداری از پلاسماها به سرعت گسترش پیدا می­کنند، سرد می­شوند و به صورت باران حلقه ای یا کرونالی به سطح خورشید می­ریزند اما باقی مانده ی این پلاسماها، به شکل بادهای آرام خورشیدی به فضا فرار می­کنند.

مِیسون اخیرا در حال کار بر روی شبیه سازی کامپیوتریِ توجیه جدیدشان برای این پدیده است اما او امیدوار است به زودی مشاهداتی عینی از این پدیده، بتواند شبیه سازی­ها و توجیهات آنان را تایید کند.

و حالا بعد افتتاح پروژه ی فضاپیمای خورشیدی پارکر، که در سال 2018، به فضا پرتاپ شد و در حال سفر به خورشید است و قرار است به حدی به آن نزدیک شود که پیش از آن هیچ فضاپیمایی نشده است. این فضاپیما می­تواند وارد بادهای خورشیدی آتشین، که به سطح خورشید ختم می­شوند، بشود که به طور بالقوه می­تواند به تحقیقات بیشتر برای باران های حلقه­ایِ مِیسون کمک کند. بعد از مشاهده ی باران های تاجی در مناطقی با خطوط مغناطیسی باز در حلقه، دریافتند که پلاسمای خروجی تبدیل به بادهای خورشیدی می­شود، و همین موضوع می­تواند باعث شود آیندگان ما قادر به مشاهده ی این پلاسما ها نباشند.  اما دیگر اینطور نیست چرا که ویال بیان کرد:" این ارتباط می­تواند با فضاپیمای خورشیدی پارکر برقرار شود و بگوییم، چیزی که از آن سخن می­گفتیم چه بوده است."

کاوش در داده ها

و اما جستجو برای یافتن باران­ها در نواحی "کلاه یا تاج" نیز، هنوز ادامه دارد. شبیه سازی­ها واضح هستند و طبق آنان، باران باید در همان نواحی باشد. طبق گفته ی آنتیکوس :"شاید آن ها آنقدر کوچک هستند که قابل مشاهده نیستند."

و باز هم اگر مِیسون، چیزی را پیدا کرده بود که به دنبال آن بود، نمی­شد گفت آیا به اکتشافی رسیده است؟ یا اینکه تمام زمانش را صرف یادگیری و زیر و رو کردن داده­های خورشیدی کرده است؟

مِیسون گفت:" مانند یک کار بیهوده به نظر می­رسد، اما بگذارید صادقانه بگویم، این کار مورد علاقه ی من است.

منظورم این است که دلیل ساختن چیزی که بتواند از خورشید عکس برداری کند، همین بوده است. بنابراین می­توانیم با نگاه کردن آن تصاویر معما را حل کنیم."

منابع:

1. www.sciencedaily.com

2. “Magnetic Jam in the Corona of the Sun” written by F. Chen, H. Peter, S. Bingert, M.C.M. Cheung