رسومات عمرها قرون لعالم الفلك يوهانس كيبلر تحل لغز النظام الشمسي

اشترك في النشرة العلمية Wonder Theory من CNN. استكشف الكون من خلال الأخبار حول الاكتشافات الرائعة والتقدم العلمي والمزيد.

سي إن إن
—

قام عالم الفلك الألماني يوهانس كيبلر برسم مخططات للبقع الشمسية في عام 1607 من خلال ملاحظاته لسطح الشمس – وبعد قرون من ذلك، تساعد هذه الرسومات الرائدة العلماء في حل لغز الشمس.

على الرغم من أن كل شيء في النظام الشمسي يدور حول الشمس، إلا أن العلماء لم يتمكنوا بعد من اكتشاف العديد من أسرار هذا النجم.

ومع ذلك، فإن دراسة تغير الشمس بمرور الوقت، بما في ذلك الدورة الشمسية، قد يجيب على بعض الأسئلة القديمة حول الكرة النارية وكيف تتغير.

وتدور بعض هذه الأسئلة حول النشاط الشمسي في القرن السابع عشر، الذي كان وقتاً محورياً لدراسة الشمس.

علماء الفلك البقع الشمسية التي تم رصدها باستخدام التلسكوبات كانت الشمس قد شهدت في عام 1610 أول عملية رصد لها. وفي الوقت نفسه، كانت الشمس تمر بمرحلة انتقالية غير عادية إلى فترة ممتدة من ضعف النشاط. وكانت رسومات كبلر التي تم تجاهلها لفترة طويلة، والتي تم التغاضي عنها لأنها كانت رسومات وليست ملاحظات تلسكوبية، قادرة على تقديم رؤى تاريخية بالغة الأهمية.

ظهرت دراسة جديدة تعيد خلق الظروف التي قام فيها كيبلر برسم رسوماته في 25 يوليو/تموز رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.

وقال هيساشي هاياكاوا، المؤلف الرئيسي للدراسة والأستاذ المساعد في معهد جامعة ناغويا لأبحاث البيئة الفضائية والأرضية، في بيان: “ساهم كيبلر بالعديد من المعالم التاريخية في علم الفلك والفيزياء في القرن السابع عشر، وترك إرثه حتى في عصر الفضاء”.

“وهنا نضيف إلى ذلك أن سجلات البقع الشمسية التي سجلها كيبلر تسبق سجلات البقع الشمسية التلسكوبية الحالية التي تعود إلى عام 1610 بعدة سنوات. وتُعد رسوماته للبقع الشمسية بمثابة شهادة على براعته العلمية ومثابرته في مواجهة القيود التكنولوجية.”

تمر الشمس بدورة مدتها 11 عامًا من النشاط المتزايد والمتناقص، والمعروفة باسم الدورة الشمسية. ويعتقد العلماء حاليًا أن الشمس تصل إلى ذروة نشاطها الشمسي أو تقترب منها، وهي الذروة السنوية لنشاطها في الدورة الشمسية الحالية، والتي تسمى الدورة الشمسية 25.

يرتبط النشاط الشمسي الأقصى عادة بزيادة عدد البقع الشمسية المرئية على سطح الشمس. وتنشأ هذه المناطق المظلمة، التي قد يصل حجم بعضها إلى حجم الأرض أو أكبر، بفعل المجالات المغناطيسية القوية والمتغيرة باستمرار للشمس.

يتتبع العلماء اليوم النشاط الشمسي باستخدام البيانات من المراصد الأرضية والفضائية، والخرائط المغناطيسية لسطح الشمس، والملاحظات فوق البنفسجية للغلاف الجوي الخارجي للشمس.

لكن مجرد محاولة مراقبة الشمس كانت مهمة صعبة منذ قرون مضت.

وقال مارك ميش، الباحث العلمي في مركز التنبؤ بالطقس الفضائي التابع للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي في بولدر بولاية كولورادو، إن البقع الشمسية رُصدت بالعين المجردة من خلال الضباب أو الدخان الناجم عن حرائق الغابات أو قرب شروق الشمس أو غروبها عندما ساعد الغلاف الجوي في تخفيف سطوع الشمس. ولم يشارك ميش في البحث الجديد.

استخدم كيبلر جهازًا يسمى الكاميرا المظلمة، والذي استخدم ثقبًا صغيرًا في جدار الجهاز لعرض صورة الشمس على ورقة ورسم المعالم التي لاحظها. اعتقد كيبلر خطأً أنه التقط صورة لكوكب عطارد وهو يتحرك في مدار حول الشمس في مايو 1607، لكنه تراجع عن تقريره بعد 11 عامًا وقرر أنه لاحظ مجموعة من البقع الشمسية.

وقال هاياكاوا: “نظرًا لأن هذا السجل لم يكن ملاحظة تلسكوبية، فقد تمت مناقشته فقط في سياق تاريخ العلم ولم يتم استخدامه للتحليلات الكمية للدورات الشمسية في القرن السابع عشر”.

“ولكن هذا أقدم رسم لبقعة شمسية تم رسمه على الإطلاق باستخدام أداة رصد وإسقاط. لقد أدركنا أن رسم البقعة الشمسية هذا يجب أن يكون قادرًا على إخبارنا بموقع البقعة الشمسية والإشارة إلى مرحلة الدورة الشمسية في عام 1607 طالما تمكنا من تضييق نقطة الرصد والوقت وإعادة بناء ميل إحداثيات التصوير الشمسي – أي مواقع المعالم على سطح الشمس – في تلك النقطة من الزمن.”

أدنى مستوى للطاقة الشمسية

لا تعد البقع الشمسية الطريقة الوحيدة التي يستطيع العلماء من خلالها فهم التغيرات التي تطرأ على الشمس. يقول ميش إن التغيرات داخل المجال المغناطيسي للشمس تنظم حركة الجسيمات عالية الطاقة، والتي تسمى الأشعة الكونية، عبر الفضاء.

عندما تضرب الأشعة الكونية الغلاف الجوي للأرض، فإنها قد تؤدي إلى تغيير تركيبته الكيميائية، بما في ذلك توازن الكربون.

“بمرور الوقت، يتم دمج هذا الكربون في النباتات والحيوانات، وحتى في أجسامنا”، كما يقول ميش. “توفر حلقات الأشجار فرصة فريدة لتتبع التغير في الكربون من عام إلى آخر. يمكن تتبع بعض الحلقات في الأشجار القديمة إلى آلاف السنين. وبالمثل، يمكن تتبع نظائر الكربون والعناصر الأخرى من خلال فقاعات الهواء المحاصرة في نوى الجليد الجليدي”.

وقال ميش إن نظائر الكربون المحاصرة في حلقات الأشجار ونوى الجليد قد استخدمت لوضع سياق لملاحظات البقع الشمسية القديمة وتوسيع فهمنا للنشاط الشمسي قبل حدوث ملاحظات البقع الشمسية.

وقد استُخدمت مثل هذه البيانات لمساعدة علماء الفلك على فهم الحد الأدنى لماوندر، وهي فترة من الدورات الشمسية الضعيفة وغير الطبيعية للغاية بين عامي 1645 و1715. وخلال ما يسمى بالحد الأدنى الشمسي الكبير، اختفت البقع الشمسية تقريبًا، ولم تظهر البقع القليلة التي تم رصدها إلا في نصف الكرة الشمسية الجنوبي. ولا يزال علماء الفلك يناقشون الآلية الأساسية للحد الأدنى الشمسي الكبير حتى اليوم، وخاصة وهم يحاولون معرفة متى وما إذا كان من الممكن أن يحدث في القرون القادمة.

لكن علماء الفلك يتفقون على أن نمط النشاط الشمسي تحول من الدورات المنتظمة إلى الحد الأدنى الكبير تدريجيا.

أ تحليل حلقات الأشجار السابقة اقترح أن دورة شمسية قصيرة، الدورة الشمسية ناقص 14، كانت مدتها خمس سنوات فقط وأدت إلى دورة شمسية طويلة للغاية مدتها 16 عامًا، تُعرف بالدورة الشمسية ناقص 13.

وقال هاياكاوا: “إذا كان هذا صحيحًا، فسيكون مثيرًا للاهتمام حقًا. ومع ذلك، أشارت عملية إعادة بناء أخرى تعتمد على حلقات الأشجار إلى تسلسل من الدورات الشمسية بفترات زمنية طبيعية (11 عامًا). إذن، أي عملية إعادة بناء يجب أن نثق بها؟ من المهم للغاية التحقق من عمليات إعادة البناء هذه باستخدام سجلات مستقلة – ويفضل أن تكون رصدية”.

لذلك، اتجه إلى رسومات كيبلر.

قام هاياكاوا وزملاؤه بترجمة تقرير كيبلر الأصلي، المكتوب باللغة اللاتينية، لفهم التوجه الدقيق لرسوماته للبقع الشمسية، وكذلك لتضييق نطاق الوقت والمواقع التي أجرى كيبلر خلالها الملاحظات.

قام هاياكاوا بعد ذلك بزيارة مواقع في براغ، بما في ذلك منزل كيبلر في التاج الفرنسي وورشة ميكانيكي البلاط جوستوس بورجي، لفهم التضاريس التي رأى كيبلر البقع الشمسية منها بشكل أفضل.

وقد مكنت أدوات البيانات الحديثة هاياكاوا وزملائه من حساب ميل البقعة الشمسية وتحديد موقعها على الشمس. كما طبقوا أيضًا قانون سبورر، تم رصده لأول مرة بواسطة عالم فلكي هاوٍ إنجليزي ريتشارد كريستوفر كارينجتون ولكن تم تطويرها بشكل أكبر من قبل عالم الفلك الألماني جوستاف سبورير، الذي وصف هجرة البقع الشمسية من خطوط العرض الأعلى إلى خطوط العرض الأدنى أثناء الدورة الشمسية.

توصل فريق البحث إلى أن مجموعة البقع الشمسية التي رصدها كيبلر تنتمي إلى نهاية الدورة الشمسية ناقص 14 وليس إلى بداية الدورة الشمسية ناقص 13.

وتدعم النتائج فكرة أن دورة الشمس ناقص 13 كانت تستمر لمدة منتظمة تبلغ 11 عامًا وليس 16 عامًا. وتمكن الباحثون أيضًا من تقدير أن دورة الشمس ناقص 13 بدأت على الأرجح بين عامي 1607 و1610.

وقال توماس تيجو، أحد مؤلفي الدراسة والمراقب في مركز تحليل بيانات التأثيرات الشمسية في المرصد الملكي البلجيكي، في بيان: “يظهر هذا انتقالًا نموذجيًا من الدورة الشمسية السابقة إلى الدورة التالية، وفقًا لقانون سبورر”.

وبما أن أطول دورة شمسية تم تسجيلها على الإطلاق خلال القرون الثلاثة الماضية استمرت لمدة 14 عامًا، فقد حان الوقت للعثور على مقدمة علمية أخرى للحد الأدنى لماوندر، كما قال هاياكاوا.

وقالت سابرينا بيتشيت، المؤلفة المشاركة في الدراسة والباحثة في المرصد الملكي البلجيكي، إنه لا يزال هناك الكثير لنتعلمه من الشخصيات التاريخية مثل كيبلر.

“كما أخبرني أحد زملائي، من المثير للاهتمام أن نرى أن سجلات تراث الشخصيات التاريخية تنقل دلالات علمية بالغة الأهمية إلى العلماء المعاصرين حتى بعد قرون من الزمان”، كما قال بيشيت. “في حالة كيبلر، نحن نقف على أكتاف عملاق علمي”.

وتساعد رسومات كيبلر في إعلام المناقشات الجارية حول الدورات الشمسية التي أدت إلى الحد الأدنى من ماوندر، وهو ما قد يساعد علماء الفلك أيضًا في نمذجة الظروف قبل الحدث، كما قال هاياكاوا.

وقال: “من خلال وضع نتائج كيبلر ضمن عمليات إعادة بناء النشاط الشمسي الأوسع، يكتسب العلماء سياقًا حاسمًا لتفسير التغيرات في سلوك الشمس في هذه الفترة المحورية التي تمثل انتقالًا من الدورات الشمسية المنتظمة إلى الحد الأدنى الشمسي الكبير”.

ووصف ميش الدراسة الجديدة بأنها “عمل مثير للإعجاب” ومثال على العمل الاستقصائي الذي يستخلص رؤى جديدة من السجلات التاريخية.

“إن التاريخ الطويل لرصد البقع الشمسية يوفر رابطًا عبر العصور لأجيال من علماء الفلك الذين نظروا إلى الشمس باحترام وفضول تطور من الخرافة إلى التدقيق العلمي إلى الفهم. ومن الملهم أن نرى أن علماء الفلك في الماضي يواصلون المساهمة في الاكتشاف العلمي. وجهودهم أكثر أهمية الآن مما كان يمكن أن يتصوروه على الإطلاق، حيث أصبح مجتمعنا التكنولوجي عرضة بشكل متزايد للزيادة والنقصان الخالدين للنشاط الشمسي.”