حققت مجموعة من العلماء من معهد ماكس بلانك لأبحاث النظام الشمسي (MPS) في ألمانيا تقدمًا كبيرًا في فهم أحد أكثر أسرار الشمس إثارةً للقلق: كيف يدفع نجمنا الجسيمات التي تشكل الشمس؟ الرياح الشمسية في الفضاء؟
وتقدم المعلومات منظورًا متميزًا لمنطقة مهمة من الإكليل الشمسي كان من الصعب على الباحثين الوصول إليها في السابق. هناك، سجل الفريق، لأول مرة، شبكة ديناميكية من هياكل البلازما التي تشبه شبكة طويلة ومتشابكة. تظهر صورة واضحة عندما يتم دمج البيانات الواردة من مجسات فضائية مختلفة وعمليات محاكاة حاسوبية شاملة: يتم تفريغ الطاقة المغناطيسية، وتهرب الجسيمات إلى الفضاء حيث تتفاعل هياكل الشبكة الإكليلية الممدودة.
لقد اهتمت الأقمار الصناعية البيئية التشغيلية المستقرة بالنسبة إلى الأرض (GOES) التابعة للإدارة الوطنية الأمريكية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) تقليديًا بأشياء أخرى غير تعرض جيد للشمس.
أُجريت حملة مراقبة استكشافية لتصوير الهالة الشمسية الممتدة في أغسطس وسبتمبر 2018. ولأكثر من شهر، نظر جهاز تصوير الأشعة فوق البنفسجية الشمسي (SUVI) التابع لـ GOES مباشرة إلى الشمس كما يفعل عادةً والتقط الصور على جانبيها.
قال الدكتور دان سيتون من SwRI، والذي شغل منصب كبير العلماء في SUVI خلال حملة المراقبة، "لقد أتيحت لنا فرصة نادرة لاستخدام أداة بطريقة غير عادية لمراقبة منطقة لم يتم استكشافها بعد. لم نكن نعرف حتى ما إذا كانت ستنجح، ولكن إذا نجحت، فسنحقق اكتشافات مهمة».
الكورونا المتوسطة، وهي طبقة من الغلاف الجوي الشمسي ترتفع عن المرئي بـ 350 ألف كيلومتر سطح الشمس، يمكن تصويرها بالأشعة فوق البنفسجية لأول مرة من خلال دمج الصور من زوايا المشاهدة المختلفة، مما أدى إلى زيادة مجال رؤية الجهاز بشكل كبير.
قال الدكتور براديب شيتا من MPS، المؤلف الرئيسي للدراسة الجديدة: "في الهالة الوسطى، كان لأبحاث الطاقة الشمسية نقطة عمياء. توفر بيانات GOES الآن تحسنًا كبيرًا. وفي الهالة الوسطى، يشتبه الباحثون في العمليات التي تحرك الرياح الشمسية وتعدلها.
© علم الفلك الطبيعي، شيتا وآخرون. / يذهب / سيارات الدفع الرباعي / سوهو / لاسكو
واحدة من الجوانب الأكثر شمولاً لنجمنا هي الرياح الشمسية. الغلاف الشمسي عبارة عن فقاعة من البلازما النادرة التي تشير إلى مجال تأثير الشمس، ويتم إنشاؤه بواسطة تيار من الجسيمات المشحونة التي تطلقها الشمس إلى الفضاء وتنتقل إلى حدود نظامنا الشمسي. تنقسم الرياح الشمسية إلى مكونات سريعة وبطيئة حسب سرعتها. إن المناطق الداخلية للثقوب الإكليلية، وهي المناطق التي تظهر داكنة في الأشعة فوق البنفسجية الإكليلية، هي المكان الذي تنشأ فيه ما يسمى بالرياح الشمسية السريعة، والتي قد تنتقل بسرعة تزيد عن 500 كيلومتر في الثانية. ومع ذلك، لا يُعرف سوى القليل عن أصول الرياح الشمسية البطيئة. ومع ذلك، فحتى جزيئات الرياح الشمسية البطيئة تنتقل عبر الفضاء بمعدلات تفوق سرعة الصوت تتراوح بين 300 إلى 500 كيلومتر في الثانية.
تحتاج البلازما الإكليلية الساخنة التي تزيد درجة حرارتها عن مليون درجة إلى الهروب من الشمس لتشكل الرياح الشمسية البطيئة. ما هي الآلية العاملة هنا؟ علاوة على ذلك، فإن الرياح الشمسية البطيئة ليست متجانسة، ولكنها تكشف، جزئيًا على الأقل، عن بنية تشبه الشعاع مكونة من تيارات يمكن تمييزها بوضوح. أين وكيف تنشأ؟ هذه هي الأسئلة التي تناولتها الدراسة الجديدة.
يمكن رؤية منطقة قريبة من خط الاستواء في بيانات GOES التي لفتت انتباه الباحثين: ثقبان إكليليان، حيث تتدفق الرياح الشمسية بعيدًا عن الشمس دون عوائق، بالقرب من منطقة ذات مجال مغناطيسي قوي. تعتبر تفاعلات النظام هذه هي الأصول المحتملة للرياح الشمسية البطيئة.
تم تصوير الهالة الوسطى فوق هذه المنطقة من خلال هياكل بلازما ممدودة تشير إلى الخارج بشكل قطري في بيانات GOES. هذه الظاهرة، التي تمت ملاحظتها بشكل مباشر لأول مرة، أشار إليها فريق المؤلف باسم الشبكة الإكليلية. تتفاعل هياكل الويب وتعيد تنظيمها بشكل متكرر.
لقد عرف الباحثون منذ فترة طويلة أن البلازما الشمسية للإكليل الخارجي تظهر بنية مماثلة. لعقود من الزمن، كان جهاز الكوروناغراف LASCO (الزاوية الكبيرة والمقياس الطيفي) الموجود على متن المركبة الفضائية SOHO، التي احتفلت بالذكرى السنوية الخامسة والعشرين لتأسيسها العام الماضي، يوفر صورًا من هذه المنطقة في الضوء المرئي.
ويعتقد العلماء أن الرياح الشمسية البطيئة التي تبدأ رحلتها إلى الفضاء لها بنية مشابهة للتيار النفاث. وكما أظهرت الدراسة الأخيرة بشكل مثير للإعجاب، فإن هذا الهيكل يهيمن بالفعل في الوسط تاج.
قام الباحثون أيضًا بفحص المعلومات من مجسات فضائية أخرى للحصول على فهم أعمق لهذه الظاهرة: تم توفير صورة معاصرة لسطح الشمس بواسطة مرصد ديناميكيات الطاقة الشمسية (SDO) التابع لناسا، في حين تم توفير منظر جانبي بواسطة المركبة الفضائية STEREO-A، والتي يدور حول الشمس قبل الأرض منذ عام 2006.
وقال الدكتور كوبر داونز من شركة Predictive Science Inc، الذي أجرى عمليات المحاكاة الحاسوبية: "باستخدام التقنيات الحسابية الحديثة التي تتضمن ملاحظات الاستشعار عن بعد للشمس، يمكن للباحثين استخدام أجهزة الكمبيوتر العملاقة لبناء نماذج ثلاثية الأبعاد واقعية للمجال المغناطيسي بعيد المنال في الهالة الشمسية. في هذه الدراسة، استخدم الفريق نموذجًا هيدروديناميكيًا مغناطيسيًا متقدمًا (MHD) لمحاكاة المجال المغناطيسي للإكليل وحالة البلازما لهذه الفترة.
وقال الدكتور كوبر داونز من شركة Predictive Science Inc، الذي أجرى عمليات المحاكاة الحاسوبية: "لقد ساعدنا هذا على ربط الديناميكيات الرائعة التي لاحظناها في الهالة الوسطى بالنظريات السائدة حول تكوين الرياح الشمسية."
شيتا محمد, "كما تظهر الحسابات، فإن هياكل الشبكة الإكليلية تتبع خطوط المجال المغناطيسي. يشير تحليلنا إلى أن بنية المجال المغناطيسي في الهالة الوسطى مطبوعة على الرياح الشمسية البطيئة وتلعب دورًا مهمًا في تسريع الجسيمات إلى الفضاء. ووفقا للنتائج الجديدة للفريق، فإن البلازما الشمسية الساخنة في الهالة الوسطى تتدفق على طول خطوط المجال المغناطيسي المفتوحة للشبكة الإكليلية. عندما تتقاطع خطوط المجال وتتفاعل، يتم إطلاق الطاقة.
"هناك الكثير مما يشير إلى أن الباحثين قد توصلوا إلى ظاهرة أساسية. خلال فترات النشاط الشمسي العالي، غالبًا ما تحدث الثقوب الإكليلية بالقرب من خط الاستواء على مقربة من المناطق ذات شدة المجال المغناطيسي العالية. ومن ثم، فمن غير المرجح أن تكون الشبكة الإكليلية التي لاحظناها حالة معزولة.
ويأمل الفريق في الحصول على رؤى أكثر تفصيلاً من البعثات الشمسية المستقبلية. وبعضها، مثل مهمة Proba-3 التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية المخطط لها في عام 2024، مجهزة بأدوات تستهدف الهالة الوسطى. تشارك MPS في معالجة وتحليل بيانات هذه المهمة. جنبًا إلى جنب مع بيانات الرصد المستمدة من المجسات العاملة حاليًا مثل مسبار باركر الشمسي التابع لناسا والمسبار الشمسي التابع لوكالة الفضاء الأوروبية، والذي يغادر خط الأرض والشمس، سيمكن هذا من فهم أفضل للبنية ثلاثية الأبعاد للشبكة الإكليلية.
المرجع مجلة:
- إل بي تشيتا، دي بي سيتون، سي. داونز، سي دي فورست، إيه كيه هيجينسون. الملاحظات المباشرة لشبكة إكليلية معقدة تقود رياحًا شمسية بطيئة شديدة التنظيم. طبيعة علم الفلك، 24 نوفمبر 2022. DOI: 10.1038/s41550-022-01834-5
