نقشه‌های پیشگامانه جدید از میدان‌های مغناطیسی تاجی خورشید

اگر از نمایش شفق‌های قطبی تابستان امسال لذت بردید، باید از کرونا خورشید تشکر کنید. کرونا لایه بیرونی خورشید است و منبع اکثر پدیده‌های جوی فضایی، از جمله شفق‌هاست. شفق‌های قطبی نمایش‌های نوری بی‌خطر هستند، اما نه تمام پدیده‌های جوی فضایی چنین نمایش‌های بی‌ضرری تولید می‌کنند؛ بعضی از آن‌ها خطرناک و ویرانگر هستند.

برای درک پدیده‌های جوی فضایی و کرونا خورشید، بنیاد ملی علوم بزرگ‌ترین تلسکوپ خورشیدی جهان، یعنی تلسکوپ خورشیدی دانیل کی. اینوی، را به سمت کرونا نشانه‌گیری کرد تا میدان‌های مغناطیسی آن را نقشه‌برداری کند.

پدیده‌های جوی فضایی بر مغناطیس‌کره، یونوسفر، ترموسفر و اگزوسفر زمین تأثیر می‌گذارند. این پدیده‌ها شامل انفجارهای خورشیدی، پرتاب جرمی کرونا (CME) و باد خورشیدی هستند.

شراره های خورشیدی انفجارهای قدرتمندی از انرژی الکترومغناطیسی هستند که می توانند به ماهواره ها آسیب برسانند و ارتباطات رادیویی را مختل کنند و اغلب با لکه های خورشیدی مرتبط هستند. CME ها خروجی پلاسما از تاج هستند که با مگنتوسفر برخورد می کنند و باعث ایجاد طوفان های ژئومغناطیسی و شفق های قطبی می شوند و در صورت قدرت کافی، شبکه های برق را مختل می کنند. باد خورشیدی جریان ثابتی از ذرات باردار است که از تاج خورشیدی جاری می شود و باعث ایجاد شفق های قطبی می شود. از آنجایی که باد خورشیدی هرگز متوقف نمی شود، می تواند مدار ماهواره ها را نیز تغییر دهد.

تاج خورشیدی از پلاسما ساخته شده است، و اگرچه بسیار کم نور است، اما بسیار گرم است.

دانشمندان نقش بزرگی را که تاج خورشیدی در آب و هوای فضا ایفا می‌کند، می‌دانند، اما نمی‌دانند که میدان‌های مغناطیسی خورشید چگونه آن را به حرکت در می‌آورند. با این حال، تلسکوپ خورشیدی Daniel K. Inouye (DKIST) برای اولین بار با موفقیت نقشه‌برداری میدان مغناطیسی تاج را انجام داد. درک میدان مغناطیسی برای درک و پیش بینی آب و هوای فضا بسیار مهم است.

نتایج در مقاله جدیدی با عنوان ‘نقشه برداری میدان مغناطیسی تاجی خورشید با استفاده از اثر زیمن‘ آمده است. این در ژورنال Science Advances منتشر شده است و نویسنده اصلی آن توماس شاد، ستاره شناس وابسته در رصدخانه ملی خورشیدی، سازمانی که DKIST را اداره می کند، است.

این پیشرفت نویدبخش درک ما از جو خورشیدی و تأثیر آن بر منظومه شمسی است.

توماس شاد، ان‌اس‌او

توماس شاد نویسنده اصلی مقاله جدید است اما چندین سال است که با DKIST کار می کند. در مقاله‌ای در سال ۱۴۰۲، شاد و همکارانش توضیح دادند که «امکان اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسی تاجی از قطبش دایره‌ای ناشی از اثر زیمان، یک هدف نسلی برای درک جو بیرونی خورشید بوده است.»

برای انجام این کار، DKIST به یکی از ابزارهای اصلی خود، طیف‌سنج مادون قرمز نزدیک برودتی (cryo-NIRSP) متکی است. Cryo-NIRSP به طور منحصر به فردی برای مشاهدات پلاریمتری تاج خورشیدی مناسب است. در سال ۱۴۰۲، Schad و همکارانش توضیح دادند که «یکی از اهداف اصلی Cryo-NIRSP اندازه‌گیری منظم و حساس شدت، سرعت، چگالی و میدان‌های مغناطیسی تاج با وضوح زمانی، مکانی و قطبی بی‌سابقه است.»

اثر Zeeman به DKIST اجازه می دهد تا میدان ها را با مشاهده تقسیم خط طیفی اندازه گیری کند. خطوط طیفی مانند «اثر انگشت» هستند و از جذب یا انتشار نور توسط اتم‌ها یا مولکول‌های خاص ناشی می‌شوند. در حضور یک میدان مغناطیسی ساکن، خطوط طیفی تقسیم می شوند. این شکاف به محققان بینشی از خواص مغناطیسی خورشید می دهد.

ستاره شناسان در گذشته تلاش کرده اند تا اثر زیمن و شکاف خط طیفی را مطالعه کنند، اما مشاهدات فاقد جزئیات و منظم بودند. DKIST آن را تغییر داده است.

مشکل رصد تاج خورشید کم نور بودن آن نسبت به بقیه خورشید است. تاج حدود یک میلیون بار کم‌نورتر از قرص خورشیدی است و تاج فقط در طی یک خورشید گرفتگی قابل مشاهده بود. DKIST از تاج نگاری برای ایجاد کسوف های مصنوعی استفاده می کند و تاج را در معرض دید قرار می دهد. این به تلسکوپ اجازه می‌دهد سیگنال‌های قطبی شده بسیار ضعیف را ببیند که یک میلیارد بار ضعیف‌تر از دیسک هستند.

شاد گفت: دستاورد Inouye در نقشه‌برداری از میدان‌های مغناطیسی تاجی خورشید، گواهی بر طراحی خلاقانه و قابلیت‌های این رصدخانه منحصربه‌فرد است. این پیشرفت نویدبخش درک ما از جو خورشیدی و تأثیر آن بر منظومه شمسی است.

پرتاب جرم تاج خطرناک ترین نوع آب و هوای فضایی است. مگنتوسفر زمین اثر محافظتی دارد، اما CME ها می توانند به آن برخورد کرده و بر آن غلبه کنند و یک طوفان ژئومغناطیسی ایجاد کنند. قوی ترین طوفان ژئومغناطیسی که ما از آن می شناسیم، رویداد کارینگتون در سال ۱۲۳۷ است. در آن زمان، تلگراف ایالات متحده جدید بود و طوفان بخش هایی از آن را از کار انداخت. همچنین باعث آتش سوزی و زخمی شدن عده ای شد.

در عصر ماهواره مدرن ما، طوفانی به این قدرت می تواند ویرانگر باشد. اگر بتوانیم آنها را پیش‌بینی کنیم، می‌توانیم ماهواره‌ها و شبکه‌های برق خود را سخت‌تر کنیم و اثرات آن را به حداقل برسانیم. دانشمندان امیدوارند با درک نحوه عملکرد میدان‌های مغناطیسی خورشیدی، بتوانند پیش‌بینی کنند چه زمانی یک CME قدرتمند در راه ما قرار می‌گیرد.

دکتر کری بلک، برنامه NSF گفت: «همانطور که نقشه‌های دقیق سطح و جو زمین پیش‌بینی دقیق‌تر آب‌وهوا را امکان‌پذیر کرده است، این نقشه هیجان‌انگیز کامل از میدان‌های مغناطیسی در تاج خورشید به ما کمک می‌کند تا طوفان‌های خورشیدی و آب و هوای فضا را بهتر پیش‌بینی کنیم.» مدیر NSO نیروهای نامرئی و در عین حال فوق‌العاده قدرتمندی که در این نقشه ثبت شده‌اند، فیزیک خورشیدی را تا قرن آینده و فراتر از آن به پیش خواهند برد.

نویسندگان در تحقیقات خود توضیح می‌دهند: «بازسازی توزیع سه‌بعدی پلاسمای تاجی و تنش‌های مغناطیسی تعبیه‌شده در آن برای درک انرژی‌های تاجی ضروری است». این اولین نقشه های گزارش شده از اثر زیمن تاجی که توسط DKIST ممکن شده است، اطلاعات زیادی را که تشخیص پلاریمتری برای تاج خورشیدی، به ویژه برای محرک اصلی آن: میدان مغناطیسی ارائه می کند، آشکار می کند.

این نتایج فراتر از خورشید و آب و هوای محلی فضایی است. این دانش دقیق درک ما را از ستارگان به طور کلی ایجاد می کند.

کریستوف کلر، مدیر NSO می گوید: «نقشه برداری از قدرت میدان مغناطیسی در تاج یک پیشرفت علمی اساسی است، نه فقط برای تحقیقات خورشیدی، بلکه برای نجوم به طور کلی. این آغاز عصر جدیدی است که در آن ما متوجه خواهیم شد که میدان های مغناطیسی ستارگان چگونه بر سیارات تأثیر می گذارد، اینجا در منظومه شمسی خودمان و در هزاران منظومه فراسیاره ای که اکنون در مورد آنها می دانیم.»