مأموریت جسورانه ناسا برای لمس خورشید

کاوشگر خورشیدی پارکر ناسا موفق به لمس خورشید شده است. این کاوشگر می‌تواند اطلاعات ارزشمندی را از نزدیک‌ترین سیاره به زمین مخابره کند خورشید، نزدیک‌ترین ستاره به ما است و به‌همین خاطر هم بیشترین شناخت را در میان ستارگان از آن داریم. ما هر روز نور آن را می‌بینیم. قرن‌هاست که دانشمندان مشغول نظارت روی لکه‌های تیره‌رنگی هستند که روی سطح درخشان آن ظاهر می‌شود. در دهه‌های اخیر نیز تلسکوپ‌های فضایی و زمینی، نور خورشید را در طول موج‌های مختلف طیف الکترومغناطیسی مورد بررسی قرار داده‌اند.

علاوه بر این، دانشمندان با آزمایش‌هایی به کاوش جو خورشید پرداخته‌اند، ذرات باد خورشیدی را جمع‌آوری کرده‌اند، نوترینوهای خورشیدی و ذرات پرانرژی را اندازه‌گیری کرده‌اند و سعی در نقشه‌برداری از میدان مغناطیسی این ستاره داشته‌اند. البته هنوز نقشه‌برداری کامل ممکن نشده است؛ زیرا ما هنوز قادر به مشاهده دقیق قطب‌های خورشیدی نیستیم که برای درک ساختار درونی میدان مغناطیسی آن اهمیت ویژه‌ای دارند.

با وجود تمام این بررسی‌ها، یک سوال اساسی همچنان بدون پاسخ قطعی باقی مانده است: دمای سطح خورشید حدود ۶۰۰۰ درجه سانتیگراد است؛ اما دما در لایه‌های بیرونی جو آن، یعنی تاج خورشیدی به طرز عجیبی به یک میلیون درجه سانتیگراد می‌رسد که بسیار داغ‌تر است.

این پوسته داغ گازی را می‌توان در طول یک خورشیدگرفتگی کامل مشاهده کرد، همانطور که در خورشید گرفتگی ۲۱ فروردین در بخش‌هایی از آمریکای شمالی رخ داد. در مسیر کلیت (نقطه‌ای که قرص کامل ماه، خورشید را می‌پوشاند)، تاج خورشیدی به شکل هاله‌ای درخشان در اطراف قرص تیره ماه قابل مشاهده بود.

اما امسال، شکل این هاله با هاله‌ای که در آخرین خورشیدگرفتگی قابل مشاهده در آمریکای شمالی در سال ۲۰۱۷ دیده شد، متفاوت بود. دلیل این تفاوت نه تنها فعالیت بیشتر خورشید در سال جاری است، بلکه به این خاطر است که دانشمندان سرانجام توانسته‌اند ساختار تاج را درک کنند. مشاهدات از راه دور برای فهمیدن چگونگی داغ شدن تاج کافی نبوده است. برای حل این معما و کشف دیگر رازها، به یک کاوشگر فضایی نیاز داشتیم که بتواند از نزدیکی خورشید عبور کند.

این کاوشگر، کاوشگر خورشیدی پارکر (Parker Solar Probe) ناسا است که در سال ۲۰۱۸ به فضا پرتاب شد. با گردش به دور خورشید و نزدیک شدن به تاج آن، داده‌هایی را جمع‌آوری کرده است که نشان می‌دهد فعالیت‌های مغناطیسی کوچک مقیاس در جو خورشید باعث می‌شود دمای تاج به طور باورنکردنی بالا رود.

از سطح تا تاج: در جستجوی راز داغی خورشید

برای درک دمای سوزان تاج خورشیدی، باید به نقش میدان‌های مغناطیسی توجه کنیم. در عمق حدود ۲۰۰ هزار کیلومتری زیر سطح خورشید، موتور مغناطیسی آن به نام دیناموی خورشیدی قرار دارد. این موتور با چرخش خود، فعالیت‌های خورشیدی را هدایت می‌کند که در چرخه‌های تقریباً ۱۱ ساله، کم و زیاد می‌شود. در دوره‌های فعالیت بیشتر خورشید، شدت و تعداد شراره‌های خورشیدی، لکه‌های خورشیدی و فوران‌های جرمی تاج افزایش می‌یابد (مانند وضعیتی که اکنون در نزدیکی اوج فعالیت خورشیدی شاهد آن هستیم).

در سطح خورشید، میدان‌های مغناطیسی در مرز سلول‌های همرفتی در حال چرخش که به آن‌ها ابرگرانول گفته می‌شود، انباشته می‌شوند. این ابرگرانول‌ها شبیه حباب‌هایی در روغن داغ در حال جوشیدن هستند. سطح داغ و دائماً در حال جوشش خورشید، این میدان‌های مغناطیسی را در لبه‌های سلول‌ها متمرکز و تقویت می‌کند. این میدان‌های تقویت‌شده هنگام برهم‌کنش با پلاسمای خورشیدی، جرقه‌های گذرا و نانو-شراره‌هایی را ایجاد می‌کنند.

میدان‌های مغناطیسی همچنین می‌توانند از سطح خورشید فوران کرده و پدیده‌های بزرگ‌تری را ایجاد کنند. در مناطقی که میدان مغناطیسی قوی است، لکه‌های خورشیدی تیره و حلقه‌های مغناطیسی غول‌آسا دیده می‌شوند. در اکثر مناطق، به ویژه در تاج تحتانی خورشید و نزدیک لکه‌های خورشیدی، این قوس‌های مغناطیسی «بسته» هستند و هر دو انتهای آن‌ها به خورشید متصل است. این حلقه‌های بسته در اندازه‌های مختلفی وجود دارند، از حلقه‌های ریز تا قوس‌های درخشان و چشمگیری که در طول خورشیدگرفتگی دیده می‌شوند.

در برخی نقاط دیگر، این حلقه‌ها باز می‌شوند. تاج سوزان خورشید، منبع باد خورشیدی مافوق صوت است که جریانی از ذرات باردار است و حباب محافظ عظیمی به نام هلیوسفر را در اطراف منظومه شمسی تشکیل می‌دهد که بسیار فراتر از سیارات شناخته‌شده امتداد می‌یابد. این ذرات، میدان‌های مغناطیسی را نیز با خود حمل می‌کنند و گاهی اوقات تا اعماق فضا پیش می‌روند. زمانی که این اتفاق می‌افتد، حلقه مغناطیسی تا لبه هلیوسفر کشیده می‌شود و چیزی را تشکیل می‌دهد که به آن «میدان مغناطیسی باز» می‌گویند.

می‌دانستیم که به نوعی فرآیندهای مغناطیسی با هم همکاری می‌کنند تا تاج را داغ کنند، اما چگونه؟

در طول سال‌ها، دانشمندان توضیحات مختلفی برای دمای بسیار بالای تاج خورشید ارائه کرده‌اند. برخی از این توضیحات، جو خورشید را به‌عنوان سیالی در نظر می‌گیرند و انتقال حرارت را مانند آنچه در یک سیال رخ می‌دهد، توضیح می‌دهند. به عبارت دیگر، گرما از مخازن بزرگ به جیب‌های کوچک‌تر از طریق آشفتگی‌های درهم و برهم منتقل می‌شود.

برخی دیگر پیشنهاد کردند که امواج مغناطیسی نشأت‌گرفته از سطح خورشید دائماً در حال لرزش هستند و گرما را به جو منتقل می‌کنند، یا اینکه در سطح ذرات، نوعی بی‌ثباتی جنبشی در حال کار است.

در سال ۱۹۸۸، یوجین پارکر، اخترفیزیکدان دانشگاه شیکاگو استدلال کرد که همرفت در سطح خورشید (همان سلول‌های در حال چرخش) می‌تواند میدان‌های مغناطیسی کشیده شده به تاج را در هم بپیچاند و بدین ترتیب انرژی مغناطیسی را در جو خورشید انباشته و ذخیره کند. او می‌گفت زمانی که این خطوط میدان به‌طور ناگهانی پاره شده و دوباره به هم وصل شوند، انرژی مغناطیسی ذخیره‌شده به جو منتقل می‌شود.

در آنجا، انرژی جو را تا دماهای بالا گرم می‌کند و منجر به نانو-شراره‌ها می‌شود. همچنین پارکر در سال ۱۹۵۸ فرضیه‌ای را مطرح کرد که بر اساس آن، تاج داغ منبع باد خورشیدی است. اگرچه در آن زمان مورد تمسخر قرار گرفت، اما ایده پارکر درست و اساسی برای زمینه هلیوفیزیک بود.

ایده پارکر منطقی به نظر می‌رسید، اما داده‌های کافی برای تأیید یا رد هیچ‌یک از توضیحات، از جمله فرضیه او در دست نداشتیم. روش‌هایی که برای مطالعه خورشید استفاده می‌کردیم، برای حل این چالش به اندازه کافی پیشرفته نبودند.

لمس خورشید: رویایی که به واقعیت پیوست

یوجین پارکر در سال ۲۰۱۸ پرتاب کاوشگر خورشیدی پارکر را از کیپ کاناورال با راکت قدرتمند دلتا ۴ هوی تماشا کرد. این کاوشگر با بهره‌گیری از مانورهای گذر از کنار ونوس، خود را به تدریج به خورشید نزدیک‌تر می‌کرد و سرانجام در تاریخ ۲۸ آوریل ۲۰۲۱ برای اولین بار تاج خورشید را لمس کرد. بدین ترتیب، به نزدیک‌ترین فضاپیما به ستاره ما و سریع‌ترین شیء ساخته دست بشر تبدیل شد. در واقع، در ماه مارس، برای هجدهمین بار با سرعتی از کنار خورشید عبور کرد که می‌توان با آن در حدود ۲۰ ثانیه از واشنگتن دی سی به لس آنجلس و در ۳۶ دقیقه از زمین به ماه رسید.

همانطور که انتظار می‌رفت، مشاهدات این کاوشگر از نزدیکی خورشید، تحول عظیمی در درک ما از گرمای تاج ایجاد کرد. این مشاهدات با رمزگشایی از امضاهای مغناطیسی در باد خورشیدی بسیار نزدیک به خورشید، گامی کلیدی در درک عملکرد کوره عظیم گرمایشی تاج به شمار می‌رفت.

باد خورشیدی از نزدیکی زمین، شبیه سیالی آشفته به نظر می‌رسد که تنها در مقیاس‌های بزرگ با خورشید ارتباط دارد. اما از نزدیک، ساختار آن مستقیماً به ساختارهای سطح خورشید مرتبط است. پلاسمای خورشیدی نزدیک به خورشید، به جای اینکه یک سیال نامنظم باشد، در جریان‌های باریکی به بیرون سرازیر می‌شود که اغلب با اندازه ابرگرانول‌های همرفتی روی سطح خورشید مطابقت دارند. این سلول‌ها همان‌هایی هستند که میدان‌های مغناطیسی در اطراف آن‌ها متمرکز، تقویت و به تاج راه می‌یابند.

این کاوشگر در طول هر مدار خورشیدی، با سرعت سرسام‌آوری از میان این جریان‌ها عبور می‌کرد و ردپای خاصی از فعالیت مغناطیسی را در پلاسما شناسایی کرد که حاکی از منبعی برای گرمای تاج بود. این ردپا که با نام «برگشت مسیر» شناخته می‌شود، ساختارهای S شکلی است که توسط وارونگی‌های کوتاه‌مدت در میدان مغناطیسی محلی به وجود می‌آید. اکثر دانشمندان بر این باورند که این برگشت مسیرها زمانی شکل می‌گیرند که حلقه‌های مغناطیسی بسته با حلقه‌های باز برخورد کرده و در رویدادی به نام «اتصال مجدد تبادل»، به هم متصل می‌شوند.

همانطور که در مورد یک بطری نوشیدنی پلمپ، تنها راه برای آزاد کردن انرژی و پلاسما از یک حلقه مغناطیسی بسته و پیچیده، باز کردن آن با پاره کردن و اتصال مجدد به یک خط میدان باز است. این رویدادهای اتصال مجدد، گرما تولید کرده و مواد خورشیدی را به فضا پرتاب می‌کنند و در نتیجه باعث گرم شدن تاج و شتاب دادن ذرات در باد خورشیدی می‌شوند.

در اواخر امسال، کاوشگر خورشیدی پارکر رکورد خود را می‌شکند و حتی به خورشید نزدیک‌تر می‌شود. سفری دیگر به دل جهنم و بازگشت، برای یافتن پاسخ‌های بیشتر به رازهای حل‌نشده خورشید.