كشف بحث جديد أن أسرار المجال المغناطيسي للشمس، الذي ظل يكتنفه الغموض لمدة أربعة قرون، يمكن أن تكون موجودة بالقرب من سطحها.
إن المجال المغناطيسي للشمس هو المسؤول عن توليد بقع داكنة تسمى البقع الشمسية، وانفجار التوهجات الشمسية، وحتى الانبعاثات المتفجرة للمادة التي تسمى الانبعاثات الكتلية الإكليلية (CMEs). ومع ذلك، منذ أن بدأ علماء الفلك في دراسة المجالات المغناطيسية للشمس، ظلت النقطة التي تنشأ منها غير محددة. والآن، قد يكون فريق دولي من الباحثين أقرب إلى حل هذا اللغز الذي يبلغ من العمر 400 عام والذي أربك حتى غاليليو غاليلي.
ويعني هذا الاكتشاف أن البقع الشمسية والتوهجات من المحتمل أن تكون نتاج مجال مغناطيسي ضحل وليس مجالًا ينشأ في أعماق الشمس، وهو أمر تم وضعه نظريًا سابقًا. يمكن أن تساعد النتائج التي توصل إليها الفريق علماء الطاقة الشمسية على التنبؤ بشكل أفضل بالتوهجات الشمسية والعواصف المغنطيسية الأرضية التي تشكل خطراً على الأقمار الصناعية للأرض وأنظمة الاتصالات والبنية التحتية للطاقة، بينما توفر أيضًا رابطًا غريبًا بين الطبقات الخارجية للشمس وتغذية الثقوب السوداء.
متعلق ب: تندلع الشمس العاصفة بأكبر توهج شمسي لها حتى الآن من بقعة شمسية ضخمة – وما زالت تفرقع (فيديو)
باستخدام حاسوب ناسا العملاق، أجرى الفريق الذي يقف وراء هذا البحث سلسلة من الحسابات المعقدة التي أظهرت أن المجال المغناطيسي للشمس يتولد على عمق حوالي 40 ألف ميل (64 ألف كيلومتر) تحت سطحها، الغلاف الضوئي. قد يبدو هذا عميقًا بشكل لا يصدق، لكن نصف قطر الشمس يبلغ حوالي 433000 ميل (697000 كم)، مما يعني أن المجالات المغناطيسية تتولد في الـ 10% الخارجية من بلازما الشمس شديدة الحرارة.
“الملامح التي نراها عند النظر إلى الشمس، مثل الهالة التي رآها كثير من الناس خلال كسوف الشمس الأخير، والبقع الشمسية، والتوهجات الشمسية، كلها مرتبطة بالمجال المغناطيسي للشمس”، يقول عضو الفريق كيتون بيرنز، عالم الأبحاث في جامعة كاليفورنيا. وقال معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) في بيان. “لقد أظهرنا أن الاضطرابات المعزولة بالقرب من سطح الشمس، بعيدًا عن الطبقات العميقة، يمكن أن تنمو بمرور الوقت لتنتج الهياكل المغناطيسية التي نراها.”
البقع الشمسية هي بقع باردة ومظلمة على سطح الشمس يعتقد العلماء أنها تنشأ عندما تتشابك خطوط المجال المغناطيسي. وجد علماء الطاقة الشمسية زيادة في عدد البقع الشمسية خلال الفترة القصوى للطاقة الشمسية من الدورة الشمسية البالغة 11 عامًا. أظهرت الملاحظات أن البقع الشمسية تميل إلى التواجد بالقرب من خط استواء الشمس وليس عند قطبي نجمنا.
الدينامو الشمسي ليس بهذا العمق
تولد الشمس مجالها المغناطيسي عبر عملية فيزيائية يسميها العلماء بالدينامو الشمسي. اقترحت النماذج السابقة لهذا الدينامو أنه يتم تشغيله في منطقة مضطربة ومضطربة من الشمس تسمى منطقة الحمل الحراري. هنا، ترتفع البلازما الساخنة بعيدًا عن قلب الشمس، حيث يتم توليد غالبية طاقتها، وتحمل الحرارة والطاقة إلى سطح الشمس، الغلاف الضوئي.
بعد ترسيب الطاقة، تبرد البلازما وتعود عبر منطقة الحمل الحراري، التي يبلغ عمقها حوالي 124000 ميل (200000 كم) وتمثل حوالي 30٪ من حجم الشمس، بعد “الدفعة” التالية من البلازما الساخنة الصاعدة .
وأوضح بيرنز: “إحدى الأفكار الأساسية لكيفية بدء تشغيل الدينامو هي أنك تحتاج إلى منطقة يوجد فيها الكثير من البلازما التي تتحرك عبر البلازما الأخرى، وأن حركة القص تحول الطاقة الحركية إلى طاقة مغناطيسية”. “كان الناس يعتقدون أن المجال المغناطيسي للشمس ينشأ من الحركات الموجودة في الجزء السفلي من منطقة الحمل الحراري.”
وسبق أن أنشأت فرق أخرى من الباحثين محاكاة ثلاثية الأبعاد للشمس لنمذجة تدفق البلازما عبر طبقاتها المختلفة، وبالتالي تحديد مكان نشأة مجالها المغناطيسي. يجادل الفريق بأن عمليات المحاكاة هذه فشلت في تحديد نقطة البداية الحقيقية للدينامو الشمسي لأنها فشلت في التقاط الصورة الحقيقية لمدى الفوضى والاضطراب الذي تتسم به الشمس في الواقع.
اتخذ بيرنز وفريقه نهجا مختلفا. بدلًا من نمذجة تدفق البلازما عبر جميع الطبقات الموجودة داخل الشمس، ركزوا على استقرار البلازما على السطح الشمسي. لقد أرادوا تحديد ما إذا كانت التغييرات في هذه المنطقة السطحية ستكون كافية لبدء الدينامو الشمسي.
كيف تسير الحقول المغناطيسية للشمس مع التدفق
للبدء، استخدم بيرنز وزملاؤه عملية تسمى “علم الزلازل الشمسية” التي تقيس الموجات الصوتية المحاصرة أثناء تموجها عبر الشمس وتسبب تذبذبات تسمى “الزلازل النجمية” على سطح الشمس لتحديد الجزء الداخلي من الشمس. وقد سمح لهم ذلك بتحديد بنية وتدفق البلازما أسفل سطح الشمس مباشرة.
وقال بيرنز: “إذا قمت بتصوير فيديو لطبل وشاهدت كيف يهتز بالحركة البطيئة، فيمكنك معرفة شكل رأس الطبلة وصلابته من خلال أوضاع الاهتزاز”. “وبالمثل، يمكننا استخدام الاهتزازات التي نراها على سطح الشمس لاستنتاج البنية المتوسطة في الداخل. تبدو هذه التدفقات المتوسطة مثل البصلة، مع طبقات مختلفة من البلازما تدور حول بعضها البعض.”
تحول الفريق إلى مشروع ديدالوس، وهو إطار عمل طوره بيرنز يمكنه محاكاة تدفقات السوائل بدقة عالية، للنظر في تدفق البلازما الشمسية ومن ثم معرفة ما إذا كان من الممكن إدخال أي تغييرات صغيرة أو “اضطرابات” على البنية المنتظمة التي يمكن أن تحدث. تنمو وتسبب الدينامو الشمسي.
واكتشفت الخوارزمية الخاصة بهم أنماطًا جديدة في تدفق البلازما التي يمكن أن تنمو وتخلق صورة للنشاط الشمسي الحقيقي. تطابقت هذه الأنماط مع مواقع البقع الشمسية التي شاهدها علماء الفلك منذ عام 1612 وملاحظات غاليليو.
البقع الشمسية هي بقع باردة ومظلمة على سطح الشمس يعتقد العلماء أنها تنشأ عندما تتشابك خطوط المجال المغناطيسي. وجد علماء الطاقة الشمسية زيادة في عدد البقع الشمسية خلال الفترة القصوى للطاقة الشمسية من الدورة الشمسية البالغة 11 عامًا. أظهرت الملاحظات أن البقع الشمسية تميل إلى التواجد بالقرب من خط استواء الشمس وليس عند قطبي نجمنا.
كشفت عمليات محاكاة مشروع ديدالوس أن التغيرات في تدفقات البلازما في أعلى 5% إلى 10% من الشمس كانت كافية لتوليد هياكل مغناطيسية يمكنها تفسير نشاط البقع الشمسية المرصود. وعندما قاموا بنمذجة مناطق أعمق من نجمنا كمصدر للمجالات المغناطيسية، أدى ذلك إلى تجمع البقع الشمسية عند قطبي الشمس بدلا من خط الاستواء، وهو عكس ما يراه علماء الفلك فعليا.
ومن خلال إلقاء نظرة فاحصة على كيفية تدفق البلازما على سطح الشمس، وجد بيرنز وزملاؤه أيضًا تشابهًا مدهشًا مع البيئات المباشرة للثقوب السوداء.
علاقة غريبة بين الشمس وتغذية الثقوب السوداء
عندما تغامر النجوم بالاقتراب كثيرًا من الثقوب السوداء، يمكن أن يتم تدميرها بواسطة قوى الجاذبية الهائلة التي تسحقها أفقيًا وتضغط عليها عموديًا، مما يؤدي إلى “معكرونتها” في حدث يسمى حدث اضطراب المد والجزر (TDE).
علاوة على ذلك، في المواقف التي يدور فيها النجم حول ثقب أسود في نظام ثنائي ويكون إما قريبًا جدًا، أو “منتفخة” طبقاته الخارجية، يمكن لتأثير جاذبية الثقب الأسود أن يجرد المواد النجمية بعيدًا.
في كلتا حالتي أكل لحوم البشر النجمية وفي الحالات الأقل تطرفًا عندما تكون الثقوب السوداء في مناطق الغاز والغبار، تتمتع هذه البلازما شديدة الحرارة بزخم زاوي (أو دوران)، وهذا يعني أنها لا يمكن أن تسقط في الثقب الأسود.
وبدلا من ذلك، تشكل هذه البلازما سحابة مسطحة حول الثقب الأسود تغذيها تدريجيا وتتعرض لقوى احتكاك هائلة بسبب جاذبية الثقب الأسود التي تسخنها، مما يسبب توهجها. يسمى هذا “الطبق” من البلازما بالقرص التراكمي. تعتبر الأقراص المتراكمة مضطربة وتغذي الثقوب السوداء بسبب ما يسمى بـ “عدم الاستقرار الدوراني المغناطيسي” في تدفق البلازما. يتم إنشاء هذا الاضطراب عندما ممغنط تتحرك المادة الأقرب إلى حافة قرص التراكم بشكل أبطأ من المادة الأقرب إلى مركزها.
يعتقد بيرنز وفريقه أن ظاهرة مماثلة تحدث في المجال المغناطيسي للشمس، وهذا عدم الاستقرار الدوراني المغناطيسي في الطبقات الخارجية للشمس هو الخطوة الأولى في توليد المجال المغناطيسي للشمس.
وأضاف بيرنز: “أعتقد أن هذه النتيجة قد تكون مثيرة للجدل”. “لقد ركز معظم المجتمع على إيجاد عمل الدينامو في أعماق الشمس. والآن نظهر أن هناك آلية مختلفة تبدو أكثر توافقًا مع الملاحظات.”
قصص ذات الصلة:
– البقعة الشمسية العملاقة AR3664 تطلق العنان لأكبر توهج شمسي حتى الآن
— تنفجر الشمس في موجة من التوهجات الشمسية القوية الناتجة عن البقع الشمسية المفرطة النشاط (فيديو)
– الطقس الشمسي البري يتسبب في سقوط الأقمار الصناعية. سوف يزداد الأمر سوءًا.
سيواصل الفريق الآن تحقيقاته من خلال دراسة أنماط المجال المغناطيسي السطحي ومحاولة تحديد ما إذا كان بإمكانهم إنشاء بقع شمسية فردية في عمليات المحاكاة الخاصة بهم وتحديد كيفية ارتباطها بدورة الشمس الشاملة التي تبلغ 11 عامًا.
وقال جيفري فاسيل، عضو الفريق والباحث في جامعة إدنبره: “نحن نعلم أن الدينامو يعمل مثل ساعة عملاقة تحتوي على العديد من الأجزاء المتفاعلة المعقدة”. “لكننا لا نعرف الكثير من القطع أو كيف تتلاءم مع بعضها البعض. هذه الفكرة الجديدة حول كيفية بدء الدينامو الشمسي ضرورية لفهمها والتنبؤ بها.”
نُشر بحث الفريق يوم الأربعاء (22 مايو) في مجلة Nature.