قد تؤدي "حرائق المعسكرات" الشمسية إلى تسخين الغلاف الجوي للشمس إلى درجات حرارة شديدة

تم تصوير الشمس بالأشعة فوق البنفسجية بواسطة المركبة الشمسية أوربيتر الأوروبية ، لتكشف عن الأجزاء الأكثر سخونة من سطحها وغلافها الجوي.

بقلم دانيال كليري 27 أبريل 2021 ، 6:20 مساءً

تساعد مهمة فضائية جديدة الباحثين في حل أحد أكثر الألغاز ديمومة لشمسنا: لماذا يكون غلافها الجوي الرقيق أسخن بحوالي 200 مرة من سطح الأرض تحته. يشير تحليل الملاحظات التي تم إجراؤها العام الماضي بواسطة بعثة Solar Orbiter التي يقودها الاتحاد الأوروبي ، والتي تم تقديمها اليوم في اجتماع الاتحاد الأوروبي لعلوم الأرض (EGU) ، إلى أن التوهجات الصغيرة فوق سطح الشمس ، والتي يطلق عليها اسم "حرائق المخيمات" ، يمكن أن تكون كافية لتسخين الغلاف الجوي درجة حرارته المذهلة. تدعم الأبحاث الأخرى في الاجتماع الشكوك القائمة منذ فترة طويلة بأن المشاعل الصغيرة ، وليست الكبيرة ، قد تؤدي إلى معظم التدفئة.

تأتي حرارة الشمس من الاندماج النووي في قلبها ، ويجب أن تنخفض درجات الحرارة مع التحرك إلى الخارج. ومع ذلك ، اكتشف العلماء في ثلاثينيات القرن الماضي أن الغلاف الجوي للشمس ، أو الهالة ، تبلغ درجة حرارته مليون درجة مئوية ، وهي أعلى بكثير من درجة حرارة السطح البالغة 5500 درجة مئوية. لقد حيرتهم اللغز منذ ذلك الحين. تقول سارة ماثيوز من جامعة كوليدج بلندن: "لا تزال إحدى المشكلات الرئيسية التي لم يتم حلها في الفيزياء الشمسية".

المشتبه به الرئيسي هو المجال المغناطيسي للشمس المضطرب. يتكون الهالة من البلازما ، وهو غاز شديد السخونة لدرجة أن الذرات تتفكك ، مما ينتج عنه حساء هائل من الأيونات والإلكترونات التي تضربها الحقول المغناطيسية. يمكن للتلسكوبات الشمسية أن ترى مناطق نشطة في الهالة حيث تلتف الحقول المغناطيسية من السطح ، وتوجه البلازما فائقة السخونة إلى الغلاف الجوي وتتراجع في الأقواس المرئية من الأرض. من حين لآخر ، تنتج المناطق النشطة توهجات وثورات إشعاعية وجسيمات عالية الطاقة تصل أحيانًا إلى الأرض. يعتقد الباحثون أن هذه التوهجات تندلع على الأرجح عندما تنفجر حلقات مغناطيسية ملتوية ومليئة بالإجهاد وترتبط بحلقات أخرى بتكوين ضغط أقل ، وهي عملية تُعرف باسم إعادة الاتصال المغناطيسي التي تطلق كميات هائلة من الطاقة.

لكن الباحثين أدركوا في الستينيات من القرن الماضي أن الحلقات والشعلات التي يمكنهم رؤيتها لا توفر حرارة كافية للحفاظ على طهي الهالة. لذلك اقترحوا أن الإكليل يتخلله حلقات ومشاعل بمجموعة واسعة من الأحجام ، معظمها أصغر من أن تراه ، والتي توفر الحرارة المفقودة من خلال ثروة من المساهمات الأصغر. على مر السنين ، طور الباحثون بعض "الطرق البارعة جدًا لدراسة أصغر التوهجات" من خلال تأثيراتهم الجماعية ، كما يقول جيمس كليمشوك من مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا. ولكن حتى الآن ، كانت التلسكوبات الشمسية تتمتع برؤية حادة بما يكفي لرؤية أكبر التلسكوبات.

وجدت مصورة الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة من Solar Orbiter "نيران المخيم" (بجانب السهم الأبيض) ، يُعتقد أنها مشتعلة يصل طولها إلى 4000 كيلومتر.

أدخل Solar Orbiter ، التي تم إطلاقها منذ ما يزيد قليلاً عن عام واحد بستة أدوات تلسكوبية وأربعة أجهزة استشعار لبيئتها المحلية. في مايو 2020 ، بينما كانت لا تزال في مرحلة اختبار الأجهزة ، تأرجحت المركبة الفضائية في منتصف الطريق بين الشمس والأرض. من مسافة 77 مليون كيلومتر ، توقع الفريق الذي يعمل مع تصوير الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة (EUI) للمركبة الفضائية رؤية بعض التوهجات الصغيرة ، كما يقول ديفيد بيرغمانز ، عالم الفيزياء الشمسية في المرصد الملكي البلجيكي والمحقق الرئيسي في EUI. لكن ، "لم نتوقع منهم أن يبرزوا بهذه الوضوح" ، كما يقول. في المناطق الهادئة على السطح ، كما يقول ، "إنها مثل شجرة نخيل في القطب الشمالي".

ألقى الباحثون نظرة ثانية عن كثب على حرائق المعسكرات عندما اقترب سولار أوربيتر من الشمس مرة أخرى في فبراير ، ولا يزال الفريق يحلل هذه البيانات. في ديسمبر ، سينتهي الاختبار ، وسيقوم الباحثون بإطلاق العنان للقوة الحقيقية لـ Solar Orbiter من خلال دراسة الشمس بأدوات متعددة في نفس الوقت. يقول دانييل مولر من وكالة الفضاء الأوروبية ، الباحث الرئيسي في البعثة ، إن المهمة الحقيقية هي إجراء الإحصائيات. "هل [نيران المخيمات] كافية لتشغيل الشمس الهادئة في المتوسط؟" يتساءل مولر. "الدلائل تشير إلى أنهم يستطيعون."

تأتي بعض هذه المؤشرات من الناحية النظرية. استخدم فريق بقيادة ياجي تشين من جامعة بكين وهاردي بيتر من معهد ماكس بلانك لأبحاث النظام الشمسي نموذجًا موجودًا لسطح الشمس المضطرب لحساب كيفية تصرف الهالة الموجودة فوقها في ظروف مثل تلك التي لاحظتها شركة سولار أوبيتر في مايو 2020. أنتج النموذج "إشراقًا" كان مشابهًا بشكل ملحوظ لحرائق المخيمات الأكبر حجمًا ومدتها ، حسبما أفادوا اليوم في اجتماع EGU. يقول بيتر: "كل شيء فحصناه كان مطابقًا". يشير النموذج أيضًا إلى أن السطوع ناتج عن إعادة الاتصال المغناطيسي ، وينتج درجات حرارة تصل إلى مليون درجة ، ويساهم بشكل كبير في التسخين الإكليلي.

أدوات أخرى تساعد في معالجة المشكلة. استخدم الباحثون في معهد تاتا للبحوث الأساسية في الهند مصفوفة Murchison Widefield ، وهي مجموعة من عدة آلاف من الهوائيات السلكية المنتشرة عبر 3 كيلومترات وهي حساسة بشكل رائع لموجات الراديو طويلة الموجة ، للبحث عن دليل على توهجات صغيرة في الأجزاء الهادئة من الشمس. خلال مراقبة الشمس لمدة 70 دقيقة ، رأى الفريق عددًا كبيرًا من الومضات الساطعة ، استمرت كل منها ثانية أو أقل ، كما أخبروا اجتماع EGU. يقول سوراجيت موندال من شركة تاتا: "لقد قفزت من البيانات". سجل الفريق حوالي 20000 ومضة. يعترف موندال بصعوبة تقدير طاقة التوهج من إشاراته الراديوية وحدها ، ولكن "إذا كان هناك هذا العدد من التوهجات ، فيمكنه الحفاظ على التسخين الإكليلي" ، على حد قوله.

لم يتم حل لغز تسخين الإكليل - يمكن أن تكون هناك عمليات أخرى تضيف إلى التسخين بالإضافة إلى التوهجات الصغيرة - ولكن على مدار السنوات القليلة المقبلة ، أصبح لدى علماء الفيزياء الشمسية أفضل فرصة لحل هذه المشكلة ، مع بدء Solar Orbiter في العمل بالإضافة إلى مسبار باركر الشمسي التابع لوكالة ناسا ، والذي تم إطلاقه في عام 2018 ، وتلسكوب Daniel K. Inouye Solar Telescope في هاواي ، قيد التشغيل الآن. يقول ماثيوز: "حرائق المعسكرات هي احتمالية محيرة". لكننا نحتاج إلى مزيد من البيانات ، كما تقول ، لتحديد عدد هذه البيانات وكمية الحرارة التي تنتجها. يتطلع بيتر إلى عام 2022 ، عندما ستبدأ Solar Orbiter في المراقبة مع جميع أجهزتها التي تعمل بالتنسيق وتنفيذ عمليات المراقبة المشتركة باستخدام التلسكوبات الموجودة على الأرض أو بالقرب منها. "ستكون سنة مثيرة."