حل لغز كوني عمره 65 عامًا

يمكن رؤية الغلاف الجوي الخارجي للشمس، المعروف باسم الإكليل، وهو يمتد إلى الفضاء في هذه الصورة من أداة Metis التابعة لـ Solar Orbiter. Metis هو جهاز متعدد الأطوال الموجية، يعمل على الأطوال الموجية المرئية والأشعة فوق البنفسجية. وهو عبارة عن كوروناغراف، مما يعني أنه يحجب ضوء الشمس الساطع من سطح الشمس، مما يترك الضوء الخافت الذي ينثر الجزيئات الموجودة في الإكليل مرئيا. في هذه الصورة، يمثل القرص الأحمر الغامض الإكليل بينما القرص الأبيض عبارة عن قناع لضغط حجم الصورة لتقليل كمية البيانات غير الضرورية المرتبطة بالوصلة الهابطة. مصدر الصورة: وكالة الفضاء الأوروبية وفريق ناسا/سولار أوربيتر/ميتيس؛ د. تيلوني وآخرون (2023)

لقد وفرت المحاذاة الكونية والقليل من تمارين المركبات الفضائية قياسًا رائدًا يساعد في حل اللغز الكوني البالغ من العمر 65 عامًا حول سبب ارتفاع درجة حرارة الغلاف الجوي للشمس.

الغلاف الجوي للشمس يسمى الإكليل. ويتكون من غاز مشحون كهربائيا يعرف باسم بلازما وتبلغ درجة حرارته حوالي مليون درجة درجة مئوية.

تعتبر درجة حرارته لغزا دائما لأن درجة حرارة سطح الشمس تبلغ حوالي 6000 درجة مئوية فقط. يجب أن تكون الهالة أكثر برودة من السطح لأن طاقة الشمس تأتي من الفرن النووي الموجود في قلبها، ومن الطبيعي أن تصبح الأشياء أكثر برودة كلما ابتعدت عن مصدر الحرارة. ومع ذلك فإن الإكليل أكثر سخونة من السطح بأكثر من 150 مرة.

لا بد من وجود طريقة أخرى لنقل الطاقة إلى البلازما، ولكن ماذا؟

النظريات وتحديات التحقيق

لقد كان يشتبه منذ فترة طويلة في أن الاضطراب في الغلاف الجوي الشمسي يمكن أن يؤدي إلى تسخين كبير للبلازما في الإكليل. ولكن عندما يتعلق الأمر بالتحقيق في هذه الظاهرة، يواجه علماء الفيزياء الشمسية مشكلة عملية: من المستحيل جمع كل البيانات التي يحتاجونها بمركبة فضائية واحدة فقط.

هناك طريقتان لاستكشاف الشمس: الاستشعار عن بعد والقياسات في الموقع. وفي الاستشعار عن بعد، يتم وضع المركبة الفضائية على مسافة معينة وتستخدم الكاميرات للنظر إلى الشمس وغلافها الجوي بأطوال موجية مختلفة. بالنسبة للقياسات في الموقع، تطير المركبة الفضائية عبر المنطقة التي تريد استكشافها وتأخذ قياسات الجسيمات والمجالات المغناطيسية في ذلك الجزء من الفضاء.

كلا النهجين لهما مزاياهما. يُظهر الاستشعار عن بعد النتائج واسعة النطاق ولكن ليس تفاصيل العمليات التي تحدث في البلازما. وفي الوقت نفسه، توفر القياسات في الموقع معلومات محددة للغاية حول العمليات صغيرة النطاق في البلازما، ولكنها لا تظهر كيف يؤثر ذلك على النطاق الكبير.

التحقيق المزدوج في المركبات الفضائية

للحصول على الصورة الكاملة، هناك حاجة إلى مركبتين فضائيتين. وهذا هو بالضبط ما يمتلكه علماء الفيزياء الشمسية حاليًا في شكل المركبة الفضائية Solar Orbiter التي تقودها وكالة الفضاء الأوروبية، ومسبار باركر الشمسي التابع لناسا. تم تصميم Solar Orbiter للاقتراب من الشمس قدر الإمكان، ولا يزال يقوم بعمليات الاستشعار عن بعد، إلى جانب القياسات في الموقع. يتجاهل Parker Solar Probe إلى حد كبير الاستشعار عن بعد للشمس نفسها ليقترب أكثر من ذلك لإجراء قياساته في الموقع.

ولكن للاستفادة الكاملة من نهجهما التكميلي، يجب أن يكون Parker Solar Probe ضمن مجال رؤية إحدى أدوات Solar Orbiter. وبهذه الطريقة، تمكنت Solar Orbiter من تسجيل العواقب واسعة النطاق لما كان يقيسه Parker Solar Probe في الموقع.

إن المركبة الشمسية المدارية التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية هي واحدة من مركبتين فضائيتين متكاملتين تدرسان الشمس على مسافة قريبة: وقد انضمت إلى مسبار باركر الشمسي التابع لناسا، والذي كان مشاركًا بالفعل في مهمته. المصدر: سولار أوربيتر: ESA/ATG medialab؛ مسبار باركر الشمسي: NASA/Johns Hopkins APL

التنسيق الفيزيائي الفلكي

دانييلي تيلوني، الباحث في المعهد الوطني الإيطالي للفيزياء الفلكية (INAF) في مرصد الفيزياء الفلكية في تورينو، هو جزء من الفريق الذي يقف وراء أداة Metis الخاصة بمركبة Solar Orbiter. Metis عبارة عن كوروناغراف يحجب الضوء من سطح الشمس ويلتقط صوراً للإكليل. إنها الأداة المثالية لاستخدامها في القياسات واسعة النطاق، ولذلك بدأ دانييلي في البحث عن الأوقات التي سيصطف فيها مسبار باركر الشمسي.

ووجد أنه في 1 يونيو 2022، ستكون المركبتان الفضائيتان في التكوين المداري الصحيح – تقريبًا. في الأساس، ستنظر المركبة الشمسية المدارية إلى الشمس، وسيكون مسبار باركر الشمسي بعيدًا عن الجانب مباشرةً، وقريبًا بشكل مثير ولكن خارج مجال رؤية أداة ميتس.

عندما نظر دانييلي إلى المشكلة، أدرك أن كل ما يتطلبه الأمر لتسليط الضوء على مسبار باركر الشمسي هو القليل من التمارين الرياضية مع Solar Orbiter: لفة بزاوية 45 درجة ثم توجيهها بعيدًا قليلاً عن الشمس.

ولكن عندما يتم التخطيط بعناية لكل مناورة لمهمة فضائية مسبقًا، وعندما تكون المركبات الفضائية نفسها مصممة للإشارة فقط إلى اتجاهات محددة للغاية، خاصة عند التعامل مع حرارة الشمس المخيفة، لم يكن من الواضح أن فريق عمليات المركبة الفضائية سيأذن بمثل هذه المناورة. انحراف. ومع ذلك، بمجرد أن أصبح الجميع واضحين بشأن العودة العلمية المحتملة، كان القرار “نعم” واضحًا.

ستواجه مهمة Solar Orbiter التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية الشمس من داخل مدار عطارد في أقرب نقطة لها. المصدر: وكالة الفضاء الأوروبية/ATG medialab

ملاحظات الاختراق

تم المضي قدمًا في اللفة وتوجيه الإزاحة ؛ دخل مسبار باركر الشمسي إلى مجال الرؤية، وأنتجت المركبة الفضائية معًا أول قياسات متزامنة على الإطلاق للتكوين واسع النطاق للهالة الشمسية والخصائص الفيزيائية الدقيقة للبلازما.

يقول دانييلي، الذي قاد تحليل مجموعات البيانات: “هذا العمل هو نتيجة لمساهمات العديد من الأشخاص”. ومن خلال العمل معًا، تمكنوا من إجراء أول تقدير مشترك للمراقبة والموقع لمعدل التسخين الإكليلي.

يقول غاري زانك، من جامعة ألاباما في هانتسفيل بالولايات المتحدة الأمريكية، ومؤلف مشارك في الورقة البحثية الناتجة: “لقد فتحت القدرة على استخدام كل من Solar Orbiter وParker Solar Probe بُعدًا جديدًا تمامًا في هذا البحث”.

ومن خلال مقارنة المعدل المُقاس حديثًا بالتنبؤات النظرية التي قدمها علماء الفيزياء الشمسية على مر السنين، أظهر دانييل أن علماء الفيزياء الشمسية كانوا على حق تقريبًا في تحديدهم للاضطراب كوسيلة لنقل الطاقة.

مفهوم الفنان للمركبة الفضائية باركر سولار بروب التي تقترب من الشمس. حقوق الصورة: ناسا/جونز هوبكنز APL/ستيف جريبن

الطريقة المحددة التي يفعل بها الاضطراب ذلك لا تختلف عما يحدث عندما تحرك فنجان القهوة الصباحي. ومن خلال تحفيز الحركات العشوائية للسائل، سواء كان غازًا أو سائلًا، يتم نقل الطاقة إلى مقاييس أصغر من أي وقت مضى، والتي تبلغ ذروتها في تحويل الطاقة إلى حرارة. في حالة الإكليل الشمسي، يكون السائل ممغنطًا أيضًا وبالتالي تكون الطاقة المغناطيسية المخزنة متاحة أيضًا لتحويلها إلى حرارة.

مثل هذا النقل للطاقة المغناطيسية وطاقة الحركة من المقاييس الأكبر إلى الأصغر هو جوهر الاضطراب. على أصغر المقاييس، فإنه يسمح للتقلبات بالتفاعل أخيرًا مع الجسيمات الفردية، ومعظمها من البروتونات، وتسخينها.

الاستنتاجات والآثار

هناك حاجة إلى مزيد من العمل قبل أن نتمكن من القول بأن مشكلة التسخين الشمسي قد تم حلها، ولكن الآن، وبفضل عمل دانييل، تمكن علماء الفيزياء الشمسية من إجراء أول قياس لهذه العملية.

“هذه هي الأولى العلمية. يقول دانييل مولر، عالم المشروع: “يمثل هذا العمل خطوة مهمة إلى الأمام في حل مشكلة التسخين الإكليلي”.

Solar Orbiter هي مهمة فضائية للتعاون الدولي بين وكالة الفضاء الأوروبية ووكالة الفضاء الأوروبية ناسا، التي تديرها وكالة الفضاء الأوروبية.