البيئة المغناطيسية المحيطة بالشمس عبارة عن فوضى مختلطة من المجالات الفوضوية وتدفقات الجسيمات المشحونة. لقد تحسننا مؤخرًا على الأقل قليلاً في رسم خريطة لتعقيداتها، ويرجع الفضل في ذلك إلى حد كبير إلى البيانات التي جمعتها بعثات مثل Parker Solar Probe وSolar Orbiter. ولكن لا تزال هناك منطقة رمادية كبيرة تحيط بالواجهة بين الخصائص الهيدروديناميكية واسعة النطاق للبلازما والخواص المجهرية للأيونات الفردية، ويعتقد العلماء أن فهم السمات واسعة النطاق للشمس، مثل سبب كون هالتها أكثر سخونة من سطحها، قد يعتمد على معرفتنا بتلك الواجهة. نُشرت مؤخرًا ورقة بحثية جديدة تعالج بشكل مباشر بعض الأسئلة المعلقة حول تلك الواجهة في مجلة The Astrophysical Journal Letters، بقلم ماساتومي إيزاوا من جامعة براونشفايغ التقنية ومؤلفيه المشاركين.
لعقود من الزمن، استخدم علماء الفيزياء الشمسية منهجيتين متنافستين للتعامل مع نماذجهم للرياح الشمسية. أحد النماذج يعامله على أنه سائل موصل. لفهم هذا الجانب من الريح، يستخدم العلماء نسخة متخصصة من الرياضيات وراء حركة السوائل، ولكن مع فارق بسيط من المغناطيسية. يتعامل هذا الإطار، المعروف باسم الديناميكا المائية المغناطيسية، مع التفاعلات واسعة النطاق للرياح الشمسية مع السمات المغناطيسية الأخرى بالإضافة إلى النظام الشمسي ككل.
ومع ذلك، قم بتكبير الصورة بما فيه الكفاية لتدفقات البلازما العملاقة، وسيصبح من الواضح قريبًا أنها تتكون من أيونات مشحونة فردية يتم تجميعها معًا. إن نمذجة هذه الجسيمات الفردية هي محور الإطار الآخر الذي يستخدمه علماء الفيزياء الشمسية لوصف الرياح الشمسية. في هذا النموذج، تدور البروتونات والإلكترونات حول خطوط مغناطيسية، وتخضع للقوى الأساسية على نطاق أكثر تفصيلًا.
يناقش فريزر وباميلا مسبار باركر الشمسي
المشكلة تكمن عند محاولة الجمع بين الإطارين. تمامًا مثل ميكانيكا الكم والنسبية، وهي ثنائية فيزيائية مشهورة أخرى، فإنهما لا يعملان معًا بشكل جيد. لكن فهم كيف يمكنهم مساعدة الفيزيائيين في الإجابة على السؤال القديم حول سبب احتراق هالة الشمس بملايين الدرجات الحرارية أكثر من سطح نجمنا.
إن معالجة هذا السؤال ترجع إلى نقل الطاقة – إذا كان هالة الشمس ساخنة جدًا، فمن الواضح أنه لا بد من تسخينها بواسطة شيء ما، أليس كذلك؟ ولمعرفة مصدر هذه الحرارة، لجأ الدكتور إيزاوا وفريقه إلى خاصية تسمى الهليكوبتر المغناطيسية. فهو يصف مقدار الالتواء والحلقات والربط الذي تقوم به خطوط المجال المغناطيسي. والأهم من ذلك أنه يأتي مزودًا بميزة تسمى “استخدام إحدى اليدين” والتي تلعب دورًا حاسمًا في فهم الواجهة.
من الأفضل تفسير استخدام إحدى اليدين باستخدام تشبيه قديم. ربما أواعد نفسي، لكن تخيل سلك الهاتف كبديل لخط المجال المغناطيسي. إن لفها في اتجاه عقارب الساعة يمنحها حركة مروحية “أعسر” ، في حين أن لفها عكس اتجاه عقارب الساعة يمنحها حركة مروحية “أعسر”. وفي حالة الفوضى الشاملة للمجال المغناطيسي للشمس، تتلاشى هذه الخصائص عادةً، دون أي تأثير كبير على بنية الرياح الشمسية.
يتعمق فريزر في التفاصيل حول ما من المفترض أن يكتشفه باركر خلال مهمته.
ومع ذلك، وجد الباحثون شيئًا فريدًا جدًا في بعض بيانات باركر. لقد لاحظوا أنه عند الواجهة بين فيزياء الموائع وفيزياء الجسيمات، تبدأ إشارة حلزونية واضحة في الظهور. بفضل القراءات المغناطيسية عالية الدقة التي التقطها باركر بالقرب من الشمس، قام الباحثون بتحليل أطياف كثافة الهليكوبتر المغناطيسية الطبيعية، وكشفوا عن زوج متميز من القمم الحلزونية المعاكسة للدوران بالقرب من الواجهة الحركية الأيونية.
وحتى العثور على هذا النوع من الأنماط جنبًا إلى جنب كان اكتشافًا في حد ذاته، لكن الباحثين استمروا في مراقبة هذه الهياكل الصغيرة نسبيًا وهي تتحرك عبر الفضاء. عادةً، يتوقع العلماء أن تكون الالتواءات الحلزونية قد تشكلت في مكان قريب جدًا، مع ترددات كهرومغناطيسية تحاكي بيئاتها المحلية. ولم يكن هذا ما وجده باركر، إذ بدت الترددات منحازة نحو الترددات المنخفضة، مما خلق سمة لما أطلق عليه علماء الفيزياء الفلكية التطور غير المحلي.
وهذا يعني أنه بدلاً من التفاعل مع خصائص البلازما المحيطة فقط، فإن تلك الالتواءات الحلزونية تقترن بنشاط مع الهياكل التي تمتد عبر مقاييس متعددة الحجم، بدءًا من تموجات الجسيمات الفردية وصولاً إلى حركات البلازما السائلة الضخمة. مما يعني أيضًا أنه يمكن ربطه بشيء يسميه العلماء حاجز الهليكوبتر.
في تدفقات البلازما المضطربة، يقوم الفيزيائيون بنمذجة الطاقة على أنها تتدفق من دوامات عملاقة وصولاً إلى تموجات أيونية صغيرة، وتتبدد في النهاية على شكل كميات مجهرية من الحرارة. ولكن، إذا تم “تسليم” تلك البلازما المضطربة، فسيتم حظر الطاقة التي تنتقل إلى أسفلها عندما تصل إلى “الحدود الأيونية” – أي عندما تنتقل من البلازما السائلة إلى بلازما الجسيمات. وهذا يمنع الطاقة من التبدد، ويجبر التقلبات المغناطيسية التي تمسك البلازما الحلزونية على إنشاء هياكل أكبر، والتي نرى بعضها على أنها “ارتدادات” مغناطيسية عملاقة في هالة الشمس.
يظهر هذا النمط من التراكم المغناطيسي بوضوح في البيانات الواردة من باركر. ولكن بمجرد أن يعبر تيار من الرياح الشمسية طبقة تيار الغلاف الشمسي – وهو غشاء عملاق يفصل الأقطاب المغناطيسية المعاكسة للشحنات عن بعضها البعض، فإن بنية التيار نفسه تتعرض للخطر ويختفي التوقيع الحلزوني.
كل هذا يعني أنه لا يزال هناك الكثير مما لا نفهمه حول الفيزياء الشمسية. لكن دراسات مثل هذه، وبيانات مثل تلك التي جمعها باركر، تسمح لنا برؤية بنية الفوضى الشمسية بشكل أكثر وضوحًا من أي وقت مضى. ومع استمرارها في مهمتها، سيكون هناك بالتأكيد رؤى أخرى حول الاضطرابات البرية في بيئة الشمس، ولكن لا تتوقع منا أن نفهمها بالكامل حتى في حياة باركر.
يتعلم أكثر:
TU Braunschweig – البنية في العالم غير المنظم: ظاهرة جديدة تم اكتشافها في الرياح الشمسية
م ايزاوا وآخرون. – التطور غير المحلي للهليكوبتر المغناطيسية عبر الواجهة المغناطيسية الهيدروديناميكية الحركية
UT – تتبع المركبة الشمسية المدارية انعكاسات مغناطيسية عملاقة مباشرة إلى الشمس
UT – تم تفجير مسبار باركر الشمسي عن طريق القذف الكتلي الإكليلي 28 مرة خلال 4 سنوات
