إذا لم يكن علماء الطاقة الشمسية متحمسين بالفعل لمراقبة الشمس عندما تصل إلى الحد الأقصى للطاقة الشمسية في عام 2024، فإن لغز أشعة جاما المكتشف حديثًا سيعزز هذه الرغبة.
أثناء فحص بيانات 14 عامًا من تلسكوب فيرمي الفضائي التابع لناسا، اكتشف فريق من الباحثين أنه خلال الذروة الشمسية الأخيرة في عامي 2013 و2014، أطلقت المناطق القطبية من الشمس إشعاعات أشعة جاما عالية الطاقة تصل إلى 10 أضعاف ما كان متوقعا.
ومن المعروف أن الشمس تشرق في جميع الأطوال الموجية للإشعاع الكهرومغناطيسي، بما في ذلك أشعة جاما، ولكن كان من المتوقع أن يتم توزيع ذلك بالتساوي عبر الوجه الشمسي. الفريق الذي اكتشف النشاط المرتفع في المناطق القطبية حاليًا لا يستطيع تفسير هذا الخلل.
وقال برونو أرسيولي قائد الفريق والباحث في معهد الفيزياء الفلكية وعلوم الفضاء في بيان: “تمثل دراسة انبعاثات أشعة جاما من الشمس نافذة جديدة لدراسة وفهم العمليات الفيزيائية التي تحدث في الغلاف الجوي لنجمنا”.
“ما هي العمليات التي تخلق هذه التجاوزات عند القطبين؟ ربما هناك آليات إضافية تولد أشعة غاما تتجاوز تفاعل الأشعة الكونية مع سطح الشمس”.
متعلق ب: يقول العلماء إن الحد الأقصى للطاقة الشمسية سيصل عاجلا ويستمر لفترة أطول مما كان متوقعا في السابق
تصف كل دورة شمسية التغيرات الدورية في النشاط المغناطيسي للشمس، والتي تدوم حوالي 11.5 عامًا وتتميز بفترة من النشاط المكثف تسمى الحد الأقصى للطاقة الشمسية والتي تشهد توزيع المزيد من البقع الشمسية على وجه الشمس، والمزيد من التوهجات الشمسية، والمزيد من التدفقات الضخمة للبلازما التي تسمى الانبعاثات الكتلية الإكليلية (سم).
يمكن أن يساعد الحد الأقصى الشمسي القادم للدورة الشمسية الحالية التي بدأت في ديسمبر 2019، الدورة الشمسية 25، في تفسير سبب سطوع الشمس بشكل أكثر سطوعًا في أشعة جاما عند أقطابها خلال ذروة نشاط الدورة الأخيرة.
إن فهم سلوك الشمس عند هذه الحدود القصوى يمكن أن يساعد العلماء على التنبؤ بشكل أفضل بالطقس الفضائي الناجم عن التوهجات والتدفقات الخارجة من الشمس، والتي يمكن أن تعطل البنية التحتية للطاقة والاتصالات هنا على الأرض، فضلاً عن احتمالية إتلاف الأقمار الصناعية وتهديد رواد الفضاء.
رصد دورة شمسية كاملة باستخدام تلسكوب فيرمي الفضائي التابع لناسا
تم جمع البيانات التي استخدمها أرسيولي وزملاؤه بواسطة أدوات التقاط أشعة جاما الخاصة بفيرمي في الفترة ما بين أغسطس 2008 ويناير 2019، والتي تشمل دورة شمسية كاملة من الحد الأدنى للطاقة الشمسية لدورة واحدة إلى الحد الأقصى للطاقة الشمسية وحتى الحد الأدنى للطاقة الشمسية في الدورة التالية.
لفهم البيانات، ابتكر الفريق أداة يمكنها فصل أشعة غاما القادمة من الشمس عن هذا الإشعاع عالي الطاقة القادم من مصادر أخرى في السماء الخلفية. أدى ذلك إلى دمج أحداث أشعة جاما الشمسية في نافذة تتراوح من 400 إلى 700 يوم، والتي يمكن تمريرها عبر فترة الرصد البالغة 14 عامًا للتركيز على نشاط أشعة جاما في أوقات محددة.
على الرغم من أن الشمس تشرق عبر جميع الأطوال الموجية للضوء، إلا أن 99% من ضوءها يأتي على شكل أشعة فوق بنفسجية، ومرئية، وتحت الحمراء. تأتي إشعاعات أشعة جاما ذات الطاقة العالية المنبعثة من نجمنا من التوهجات الشمسية، وإكليل الشمس، وبدرجة أقل، من الغلاف الضوئي، الذي يعتبر بشكل عام سطح الشمس.
وقال برونو أرسيولي قائد الفريق والباحث في معهد الفيزياء الفلكية وعلوم الفضاء في البيان: “الشمس تقتحم جسيمات قريبة من سرعة الضوء قادمة من خارج مجرتنا في كل الاتجاهات”. “هذه الأشعة الكونية المزعومة مشحونة كهربائيًا وتنحرف بواسطة المجالات المغناطيسية للشمس. وتلك التي تتفاعل مع الغلاف الجوي الشمسي تنتج وابلًا من أشعة جاما.”
وقد افترض العلماء أن زخات أشعة جاما هذه سيتم إنتاجها بالتساوي عبر الشمس. وعلى النقيض من ذلك، تشير النتائج التي توصل إليها أرسيولي وزملاؤه إلى أن شيئًا ما يحدث مع المجال المغناطيسي للشمس على ارتفاعات أعلى، مما يؤدي إلى تكثيف إنتاج أشعة جاما في القطبين.
اكتشف الباحثون أيضًا عدم تناسق آخر في أشعة جاما، هذه المرة بين القطبين وفيما يتعلق بطاقة فوتونات أشعة جاما المنتجة.
وأضاف أرسيولي: “في القطب الجنوبي، هناك فائض في انبعاثات الطاقة الأعلى، من الفوتونات ذات 20 إلى 150 جيجا إلكترون فولت (GeV)، في حين أن معظم الفوتونات الأقل طاقة تأتي من القطب الشمالي”.
تركزت انبعاثات أشعة جاما من القطبين بشكل خاص في يونيو 2014، عندما انعكست الأقطاب المغناطيسية للشمس، وهي ظاهرة تحدث كل 11.5 سنة أو نحو ذلك في ذروة الحد الأقصى للطاقة الشمسية.
وقالت إيلينا أورلاندو، عضوة الفريق والعالمة بجامعة تريست: “لقد وجدنا نتائج تتحدى فهمنا الحالي للشمس وبيئتها”. “لقد أظهرنا وجود علاقة قوية بين عدم التماثل في انبعاث أشعة جاما الشمسية بالتزامن مع انقلاب المجال المغناطيسي الشمسي، مما كشف عن وجود صلة محتملة بين علم الفلك الشمسي، وفيزياء الجسيمات، وفيزياء البلازما.”
قصص ذات الصلة:
– تشير دراسة جديدة إلى أن الطقس الفضائي القاسي يعيق هجرة الطيور
– يمكن للعواصف الشمسية أن تدمر الأقمار الصناعية بسهولة – يشرح خبير الطقس الفضائي هذا العلم
– توقعات الطقس الفضائي للحصول على دفعة من المسبار الجديد على محطة الفضاء الدولية
إن فهم العلاقة بين كيفية ومكان إطلاق أشعة جاما من الشمس ونشاط نجمنا خلال فترات التوهجات الشمسية المتكررة والانبعاث الإكليلي الإكليلي يمكن أن يؤدي إلى تنبؤات أفضل بالطقس الفضائي.
وأضاف أرسيولي: “في عام 2024 والعام المقبل، سنشهد ذروة شمسية جديدة، وقد بدأ بالفعل انعكاس آخر لأقطاب الشمس المغناطيسية”. “نتوقع بحلول نهاية عام 2025 إعادة تقييم ما إذا كان انقلاب المجالات المغناطيسية يتبعه فائض في انبعاثات أشعة جاما من القطبين.”
ويشير أورلاندو أيضًا إلى أن النتائج التي توصل إليها الفريق تمثل حجة قوية لإيلاء المزيد من الاهتمام لأشعة جاما القادمة من الشمس.
وقالت: “لقد وجدنا مفتاح حل هذا اللغز، الذي يشير إلى الاتجاهات المستقبلية التي ينبغي اتخاذها. ومن الأساسي أن يعمل تلسكوب فيرمي ويراقب الشمس في السنوات المقبلة”.
وخلص أرسيولي إلى القول: “إذا تم التوصل إلى أن انبعاثات الطاقة العالية تحمل بالفعل معلومات حول النشاط الشمسي، فيجب التخطيط للمهمة التالية لتوفير بيانات في الوقت الفعلي عن انبعاثات أشعة جاما من الشمس”.
تم نشر بحث الفريق في مجلة الفيزياء الفلكية.