دانشمندان با شبیه‌سازی، سرنخ تازه‌ای از منشأ گرمای تاج خورشید پیدا کردند

خورشید یکی از عجیب‌ترین معماهای فیزیک را در دل خود پنهان کرده است: چرا جو خارجی آن، برخلاف انتظار، صدها برابر داغ‌تر از سطح مرئی این ستاره است؟

اکنون پژوهشگران چینی با شبیه‌سازی فرایندهای مغناطیسی در آزمایشگاه، به سرنخ تازه‌ای دست یافته‌اند که می‌تواند بخشی از این معما را توضیح دهد. آزمایش آن‌ها نشان می‌دهد ناپایداری‌های پلاسما می‌توانند میدان‌های مغناطیسی را به یکدیگر نزدیک کنند و با آزادسازی انرژی ذخیره‌شده، دمای ذرات را افزایش دهند. این یافته مسیر تازه‌ای برای بررسی منشأ گرمای شدید تاج خورشید فراهم می‌کند.

چرا تاج خورشید از سطح آن داغ‌تر است؟

دمای سطح مرئی خورشید حدود ۵۵۰۰ درجه سانتی‌گراد است؛ بااین‌حال، دمای تاج خورشید، یعنی لایه خارجی جو آن، می‌تواند از یک میلیون درجه سانتی‌گراد فراتر برود. این اختلاف دمای چشمگیر دهه‌هاست که دانشمندان را سردرگم کرده است؛ زیرا انتظار می‌رود با فاصله گرفتن از منبع گرما، دما کاهش پیدا کند، نه اینکه چند صد برابر بیشتر شود.

یکی از توضیح‌های مطرح‌شده برای این پدیده، وجود فوران‌های بسیار کوچکی به نام «نانوفلر» (Nanoflare) است؛ این رویدادها در مقایسه با شراره‌های بزرگ خورشیدی انرژی بسیار کمتری آزاد می‌کنند، اما احتمال دارد تعداد بسیار زیاد آن‌ها در کنار یکدیگر بتوانند بخش مهمی از گرمای تاج خورشید را تأمین کنند. پژوهش جدید، به بررسی سازوکاری می‌پردازد که ممکن است به آغاز برخی از این رویدادها کمک کند.

دانشمندان چگونه انفجارهای خورشیدی را شبیه‌سازی کردند؟

تیم پژوهشی با مشارکت وی سان از مؤسسه انرژی اتمی چین و یونگلی پینگ از دانشگاه نرمال پکن، آزمایش خود را در تأسیسات لیزری Shenguang-II در شانگهای انجام داد. دانشمندان چهار پرتو لیزر هم‌پوشان را به هدفی پلاستیکی با سطحی دارای برآمدگی‌ها و فرورفتگی‌های ظریف تاباندند. هر پالس لیزر تنها یک نانوثانیه، معادل یک‌میلیاردم ثانیه، طول کشید و در اثر آن، ماده هدف به پلاسما تبدیل شد.

پلاسما حالتی از ماده است که از ذرات باردار الکتریکی تشکیل می‌شود و در بسیاری از محیط‌های فضایی، از جمله خورشید، حضور دارد؛ هنگامی که این ماده منبسط شد و با محیط کم‌چگال اطراف خود برهم‌کنش کرد، ناپایداری‌هایی در مرز آن شکل گرفتند. این ساختارها به‌تدریج به شکل انگشت‌های کشیده و برآمدگی‌های قارچ‌مانند درآمدند.

این رفتار با نام «ناپایداری رایلی–تیلور» (Rayleigh–Taylor Instability) شناخته می‌شود؛ پدیده‌ای که هنگام برهم‌کنش لایه‌های دارای چگالی متفاوت در شرایط مناسب می‌تواند ساختارهای پیچیده‌ای ایجاد کند. شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای پژوهشگران نشان دادند که این ساختارها می‌توانند میدان‌های مغناطیسی با جهت مخالف را به یکدیگر نزدیک کنند.

بازپیوند مغناطیسی چگونه گرما تولید می‌کند؟

هنگامی که میدان‌های مغناطیسی با جهت مخالف به یکدیگر نزدیک می‌شوند، ممکن است آرایش خطوط میدان تغییر کند و انرژی ذخیره‌شده در آن‌ها آزاد شود. این فرایند «بازپیوند مغناطیسی» (Magnetic Reconnection)، نام دارد و یکی از سازوکارهای مهم برای توضیح آزادسازی ناگهانی انرژی در محیط‌های پلاسمایی به شمار می‌رود.

در آزمایش جدید، ساختارهای ایجادشده در پلاسمای لیزری شرایط مناسبی برای وقوع این فرایند فراهم کردند. پژوهشگران با بررسی پرتوهای ایکس ساطع‌شده از پلاسما، دمای الکترون‌های آن را تخمین زدند. در آزمایشی که از هدف پلاستیکی موج‌دار استفاده می‌کرد، دمای اوج الکترون‌ها به حدود ۸۲۰ هزار درجه سانتی‌گراد رسید؛ رقمی که تقریباً دو برابر مقدار اندازه‌گیری‌شده در آزمایش مقایسه‌ای با هدفی صاف بود.

پژوهشگران همچنین شبیه‌سازی رایانه‌ای جداگانه‌ای انجام دادند که در آن از شکل‌گیری میدان‌های مغناطیسی جلوگیری می‌شد. در این حالت، افزایش گرما تا حد زیادی از بین رفت. این نتیجه از این فرضیه پشتیبانی می‌کند که بازپیوند مغناطیسی نقش مهمی در افزایش دمای پلاسما داشته است.

باران تاجی چه ارتباطی با این کشف دارد؟

اهمیت این آزمایش به امکان ارتباط آن با پدیده‌ای واقعی در خورشید مربوط می‌شود. در جو خورشید، گاهی پلاسمای نسبتاً سرد و چگال در امتداد خطوط میدان مغناطیسی به سمت لایه‌های پایین‌تر حرکت می‌کند. این پدیده که «باران تاجی» (Coronal Rain) نامیده می‌شود، ممکن است شرایطی ایجاد کند که ناپایداری رایلی–تیلور در آن شکل بگیرد.

بر اساس نتایج پژوهش، چنین ناپایداری‌هایی می‌توانند میدان‌های مغناطیسی مخالف را کنار یکدیگر قرار دهند و زمینه را برای بازپیوند مغناطیسی و گرم‌شدن پلاسما فراهم کنند. در نتیجه، ممکن است بخشی از انرژی موردنیاز برای حفظ دمای بالای تاج خورشید از این مسیر تأمین شود.

البته نباید فراموش کرد که پلاسمای آزمایشگاهی بسیار چگال‌تر از پلاسمای تاج خورشید بود و فرایندها نیز در بازه زمانی بسیار کوتاه‌تری اتفاق افتادند. پژوهشگران با مقایسه پارامترهای فیزیکی تلاش کردند مشخص کنند کدام جنبه‌های آزمایش را می‌توان به شرایط خورشید تعمیم داد؛ بااین‌حال، این آزمایش تمام فرایندهای ذخیره و آزادسازی انرژی مغناطیسی در خورشید را بازسازی نکرده است.

آیا معمای گرمای خورشید حل شده است؟

این پژوهش گام مهمی در بررسی سازوکارهای احتمالی گرمایش تاج خورشید محسوب می‌شود، اما هنوز نمی‌توان گفت دانشمندان به پاسخ نهایی رسیده‌اند؛ نتایج نشان می‌دهند ناپایداری رایلی–تیلور می‌تواند زمینه‌ساز بازپیوند مغناطیسی و افزایش دمای پلاسما باشد؛ بااین‌حال، مشخص نیست این فرایند در خورشید با چه فراوانی رخ می‌دهد و چه سهمی از گرمای تاج را تأمین می‌کند.

پژوهشگران برای پاسخ به این پرسش‌ها به آزمایش‌های بیشتر و مشاهدات دقیق‌تر خورشید نیاز دارند. یافته‌های این تیم در مقاله‌ای با عنوان «نمایش آزمایشگاهی گرمایش تاج خورشید از طریق بازپیوند مغناطیسی هنگام نانوفلرها» در مجله علمی Physical Review Letters منتشر شده است.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.