واضح‌ترین تصاویر تاریخ از سطح خورشید؛ رصد مستقیم موتور محرک طوفان‌های فضایی

این پرسش ظاهر ساده، اما پاسخی پیچیده دارد: یک ستاره واقعاً چه شکلی است؟ همه می‌دانیم که ستاره‌ها در آسمان به‌صورت نقطه‌هایی چشمک‌زن دیده می‌شوند یا در مورد خورشید، گوی عظیم و سوزانی از پلاسمای درخشان است که بر آسمان زمین سلطه دارد.

اما اگر منظورمان سطح واقعی و مشاهده‌پذیر ستاره، یعنی «فوتوسفر» آن باشد چه؟ با اینکه فوتوسفر تنها بخشی از خورشید است که به‌راحتی می‌توانیم ببینیم، هنوز هم جزئیات ریز آن تا حد زیادی برایمان ناشناخته مانده است. بااین‌حال، رصدهای منحصربه‌فرد جدید با بزرگ‌ترین و پیشرفته‌ترین تلسکوپ خورشیدی جهان، از برخی رازهای این ناحیه پرده برداشته‌اند.

گروهی بین‌المللی از دانشمندان با استفاده از تلسکوپ خورشیدی چهارمتری «دنیل کِی اینوی» (DKIST) در هاوایی که به بنیاد ملی علوم آمریکا (NSF) تعلق دارد، واضح‌ترین تصاویر تاریخ از سطح خورشید را ثبت کرده‌اند. این تصاویر، چشم‌اندازی بیگانه را آشکار کرده‌اند که پوشیده از گرداب‌های پلاسمایی و قبلاً دیده‌نشده است. این یافته‌ها که با شبیه‌سازی‌های پیشرفته کامپیوتری تأیید شده، به درک بهتر نحوه انتقال انرژی در فوتوسفر و چگونگی تبدیل آن به رویدادهای آب‌وهوای فضایی بالقوه خطرناک برای زمین کمک می‌کنند.

اخترشناسان از قبل می‌دانستند که فوتوسفر خورشید تا حدی شبیه دیگی از آب در حال جوش است. با بالاآمدن گرما از لایه‌های زیرین، سلول‌های همرفتی پلاسمایی موسوم به «گرانول» که هر کدام حدود هزار کیلومتر عرض دارند، روی سطح خورشید موج می‌زنند. اطراف هر گرانول نیز با «شیارهایی» شبیه دره مشخص می‌شود که در اثر پایین‌رفتن پلاسمای سردشده شکل گرفته‌اند.

بااین‌حال، چنین تصویر نسبتاً ساده‌ای از فوتوسفر مانند آن است که فقط نقشه‌ای ابتدایی از زمین در اختیار داشته باشیم که صرفاً قاره‌ها و اقیانوس‌ها را نشان می‌دهد، اما جزئیات کوچک‌تر را پنهان می‌کند. در چنین نقشه‌ای شاید بتوان طوفان‌های عظیم یا فوران‌های آتشفشانی را دید، اما سازوکار شکل‌گیری آن‌ها روشن نیست. اکنون، تصاویر جدید تلسکوپ اینوی این وضعیت را تغییر داده‌اند.

دیوید کوریدزه، نویسنده همکار اصلی مقاله و اخترشناس رصدخانه ملی خورشیدی آمریکا در بولدر کلرادو، می‌گوید: «تاریخ مشاهدات فیزیک خورشید، از رصدهای اولیه لکه‌های خورشیدی تا امروز، در اصل داستان افزایش توان ما برای تفکیک عناصر مغناطیسی، یعنی شکل، اندازه و تحول پویای آن‌هاست. برای نخستین بار، این رصدها توانسته‌اند مرزهای تک‌تک عناصر مغناطیسی را تفکیک کنند. اکنون می‌دانیم که این مرزها لبه‌هایی ساده، صاف یا تصادفی نیستند، بلکه الگوهای چرخشی و پویایی دارند.»

این الگوها یا گرداب‌های چرخشی که اندازه‌شان از حدود ۲۰ تا نزدیک ۲۰۰ کیلومتر متغیر است، در نتیجه پدیده‌ای شناخته‌شده به نام ناپایداری کلوین-هلمهولتز (KHI) شکل می‌گیرند. این ناپایداری زمانی رخ می‌دهد که دو سیال با سرعت‌های متفاوت از کنار یکدیگر عبور کنند. برشی که در مرز میان آن‌ها ایجاد می‌شود، گردابه‌هایی چشمگیر به وجود می‌آورد که به موج‌های در حال شکستن در اقیانوس شباهت دارند. نمونه‌هایی از این پدیده را می‌توان روی زمین نیز در برخی ابرها یا حتی هنگام هم‌زدن خامه در فنجان قهوه مشاهده کرد.

پژوهشگران برای مشاهده این گرداب‌ها در فوتوسفر خورشید، تلسکوپ اینوی را تا نهایت توانش به کار گرفتند و روی حاشیه یک لکه خورشیدی بزرگ‌نمایی کردند؛ جایی که موفق به مشاهده ده‌ها گرداب شدند. به گفته فریدریش ووگر، دانشمند ارشد رصدخانه ملی خورشیدی و یکی از نویسندگان مقاله، این موفقیت معادل آن است که بتوان از ارتفاع حدود ۱۶۰ کیلومتری سطح سیاره زمین، مورچه‌هایی را که روی زمین حرکت می‌کنند، مشاهده کرد.

ووگر می‌گوید: «ما همان ابتدا گردابه‌های شاخص ناپایداری کلوین-هلمهولتز را در داده‌هایمان تشخیص دادیم و از دیدن آن‌ها بسیار هیجان‌زده شدیم. اما البته از نظر پژوهش علمی، این کافی نیست. اینکه ثابت کنید چیزی که ظاهر، حرکت و صدایش شبیه اردک است، واقعاً اردک است، بسیار دشوارتر است.»

پژوهشگران در مقاله خود، تصاویر تلسکوپ اینوی را با نتایج مدل‌های عددی که با استفاده از معادلات پایه فیزیک، بخشی از فوتوسفر را شبیه‌سازی کرده بودند، مقایسه کردند. نتایج نشان داد این مدل‌ها تعداد، رفتار و دیگر ویژگی‌های گرداب‌های مشاهده‌شده روی خورشید را با دقت بازتولید می‌کنند.

نظریه‌پردازان دهه‌ها بود که درباره وجود ناپایداری کلوین-هلمهولتز در فوتوسفر خورشید گمانه‌زنی می‌کردند. آن‌ها معتقد بودند این پدیده می‌تواند به آمیختن پلاسماهای مغناطیده و غیرمغناطیده کمک کند؛ مثلا وقتی جریان‌های رو به پایین در شیارها از کنار جریان‌های رو به بالا در گرانول‌ها عبور می‌کنند. از این رو، پدیده KHI می‌تواند بخشی اساسی از زنجیره آشفته همرفت در خورشید باشد؛ فرایندی که در چرخه ۱۱ ساله فعالیت خورشید و افزایش و کاهش تعداد لکه‌های خورشیدی نقش دارد.

به باور دانشمندان، این «بافتن شار مغناطیسی» موجب انباشته‌شدن حجمی از انرژی می‌شود که هنگام گسستن و اتصال دوباره خطوط میدان در آرایش‌هایی پایدارتر و کم‌انرژی‌تر، ناگهان آزاد می‌شود و پلاسما و تابش را در قالب شراره‌ها و فوران‌ها به فضا پرتاب می‌کند؛ رویدادهایی که می‌توانند زمین و دیگر اجرام منظومه شمسی را در معرض شدیدترین انواع آب‌وهوای فضایی قرار دهند.

بافتن شار مغناطیسی همچنین یکی از مهم‌ترین توضیحات برای «معمای گرمایش تاج خورشیدی» به شمار می‌رود؛ این واقعیت شگفت‌انگیز که چرا تاج رقیق و بیرونی خورشید و سایر ستارگان، با وجود فاصله بیشتر از منبع انرژی، صدها برابر داغ‌تر از فوتوسفر آن‌ها است.

ووگر می‌گوید کشف این گرداب‌های کوچک تنها آغاز راه است. رصدهای آینده با تلسکوپ اینوی به دنبال یافتن نمونه‌های بیشتری از این ساختارها در بخش‌های گسترده‌تری از فوتوسفر خواهند بود و مدل‌های پیشرفته‌تر نیز تلاش خواهند کرد نحوه شکل‌گیری آن‌ها و نقش واقعی‌شان را در فرایند همچنان رازآلود بافتن شار مغناطیسی که بر رفتار خورشید و سراسر منظومه شمسی اثر می‌گذارد، روشن کنند.

مطالعه در نشریه نیچر منتشر شده است.