قدمت مركبتان فضائيتان قياسًا رائدًا يساعد في حل لغز كوني عمره 65 عامًا، وهو سبب ارتفاع درجة حرارة الغلاف الجوي للشمس. ويسمى الغلاف الجوي للشمس بالإكليل. ويتكون من غاز مشحون كهربائياً يسمى البلازما، تبلغ درجة حرارته حوالي مليون درجة مئوية. ودرجة حرارته لغز أبدي، إذ تبلغ درجة حرارة سطح الشمس حوالي 6000 درجة مئوية فقط. يجب أن تكون الهالة أكثر برودة من السطح لأن طاقة الشمس تأتي من الفرن النووي الموجود في قلبها، وكلما ابتعدت عن مصدر الحرارة، أصبحت أكثر برودة بشكل طبيعي.ومع ذلك، فإن درجة حرارة الإكليل أعلى بأكثر من 150 مرة من السطح. لا بد من وجود طريقة أخرى لنقل الطاقة إلى البلازما أثناء العمل، ما هي؟
في هذه الصورة الملتقطة بواسطة أداة Metis التابعة لـ Solar Orbiter، يمكن رؤية الغلاف الجوي الخارجي للشمس، المعروف باسم الإكليل، وهو يمتد إلى الفضاء. Metis هو جهاز متعدد الأطوال الموجية يعمل في كل من الأطوال الموجية المرئية والأشعة فوق البنفسجية. إنه كوروناغراف، مما يعني أنه يحجب ضوء الشمس الساطع من سطح الشمس، مما يجعل الضوء الخافت المنتشر بواسطة الجزيئات الموجودة في الإكليل مرئيًا. في هذه الصورة، يمثل القرص الأحمر غير الواضح الإكليل، في حين أن القرص الأبيض عبارة عن قناع يستخدم لضغط حجم الصورة لتقليل كمية بيانات الوصلة الهابطة غير الضرورية. حقوق الصورة: وكالة الفضاء الأوروبية ووكالة ناسا/سولار أوربيتر/مجموعة ميتيس؛ د. تيلوني وآخرون. (2023)
التحديات النظرية والبحثية
منذ فترة طويلة يشتبه في أن الاضطراب في الغلاف الجوي الشمسي يسبب تسخينًا كبيرًا للبلازما في الهالة. لكن عند دراسة هذه الظاهرة، واجه علماء الفيزياء الشمسية مشكلة عملية: كان من المستحيل جمع كل البيانات اللازمة بمركبة فضائية واحدة فقط.
هناك طريقتان لدراسة الشمس: الاستشعار عن بعد والقياسات الموقعية. وفي قياسات الاستشعار عن بعد، يتم وضع مركبة فضائية على مسافة وتستخدم كاميرات لرصد الشمس وغلافها الجوي بأطوال موجية مختلفة. وفي القياس في الموقع، تحلق المركبة الفضائية فوق المنطقة التي تريد دراستها، وتأخذ قياسات الجسيمات والمجالات المغناطيسية في ذلك الجزء من الفضاء.
كلا الطريقتين لها مزاياها. يمكن للاستشعار عن بعد أن يُظهر نتائج واسعة النطاق، لكنه لا يستطيع إظهار تفاصيل العمليات التي تحدث في البلازما. وفي الوقت نفسه، يمكن للقياسات الموقعية أن توفر معلومات محددة للغاية حول العمليات صغيرة النطاق في البلازما، ولكنها لا تستطيع إظهار كيفية تأثير هذه العمليات على العمليات واسعة النطاق.
مسح مزدوج للمركبات الفضائية
للحصول على الصورة الكاملة، ستكون هناك حاجة إلى مركبتين فضائيتين. وهذا بالضبط ما يمتلكه علماء الفيزياء الشمسية حاليًا، مع المركبة الفضائية Solar Orbiter التي تقودها وكالة الفضاء الأوروبية ومسبار باركر الشمسي التابع لناسا. تم تصميم Solar Orbiter للاقتراب قدر الإمكان من الشمس أثناء إجراء عمليات الاستشعار عن بعد والقياسات في الموقع. لقد تخلى مسبار باركر الشمسي إلى حد كبير عن الاستشعار عن بعد للشمس نفسها، وبدلاً من ذلك اقترب من الشمس لإجراء قياسات فورية.
ولكن للاستفادة الكاملة من تكاملهما، يجب أن يكون Parker Solar Probe ضمن مجال رؤية إحدى أدوات Solar Orbiter. وبهذه الطريقة، يمكن لـ Solar Orbiter تسجيل الكم الهائل من البيانات الناتجة عن قياسات Parker Solar Probe في الموقع.
تعد Solar Orbiter التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية واحدة من مركبتين فضائيتين متكاملتين تدرسان الشمس من مسافة قريبة: فهي تنضم إلى Parker Solar Probe التابع لناسا في مهمته. اعتمادات الصورة: Solar Orbiter: ESA/ATGmedialab؛ مسبار باركر الشمسي: NASA/Johns Hopkins APL
تنسيق الفيزياء الفلكية
دانييل تيلوني هو باحث في المعهد الوطني الإيطالي للفيزياء الفلكية (INAF) في مرصد تورينو للفيزياء الفلكية، وهو عضو في الفريق الذي يقف وراء أداة Metis الخاصة بمركبة Solar Orbiter. Metis عبارة عن كوروناغراف يحجب الضوء من سطح الشمس ويلتقط صوراً للإكليل. لقد كانت الأداة المثالية لإجراء قياسات واسعة النطاق، لذلك شرعت دانييل في معرفة متى سيصطف مسبار باركر الشمسي.
ووجد أنه في 1 يونيو 2022، ستكون المركبتان الفضائيتان في التكوين المداري الصحيح - تقريبًا. بشكل أساسي، سوف تنظر Solar Orbiter إلى الشمس، بينما يكون Parker Solar Probe بعيدًا عن الجانب، قريبًا جدًا ولكن خارج مجال رؤية أداة Métis مباشرةً.
عندما رأى دانييل المشكلة، أدرك أن جلب مسبار باركر الشمسي إلى المشهد سيتطلب مجرد مناورة صغيرة على Solar Orbiter: دحرجته بزاوية 45 درجة وتوجيهه بعيدًا قليلاً عن الشمس.
لكن كل حركة لمهمة فضائية يتم التخطيط لها بعناية مسبقًا، والمركبة الفضائية نفسها مصممة للإشارة فقط إلى اتجاهات محددة للغاية، خاصة عند التعامل مع حرارة الشمس المرعبة. ومن غير الواضح ما إذا كان فريق عمليات المركبة الفضائية سيوافق على مثل هذا الانحراف. ومع ذلك، بمجرد أن أصبح المردود العلمي المحتمل واضحا للجميع، كان القرار "نعم" لا لبس فيه.
ستواجه مهمة Solar Orbiter التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية الشمس من داخل مدار عطارد خلال أقرب اقتراب لها من الشمس. مصدر الصورة: وكالة الفضاء الأوروبية/ATGmedialab
ملاحظات اختراق
استمر التدحرج والانحراف. ظهر مسبار باركر الشمسي، ولأول مرة قامت المركبتان الفضائيتان بقياس البنية واسعة النطاق للإكليل والخصائص الفيزيائية الدقيقة للبلازما.
وقال دانييل، الذي قاد تحليل مجموعة البيانات: "هذا العمل هو نتيجة لمساهمات العديد من الأشخاص". ومن خلال العمل معًا، أنتجوا أول ملاحظات شاملة وتقديرات في الموقع لمعدلات التسخين الإكليلي.
وقال غاري زانك من جامعة ألاباما في هانتسفيل، وهو مؤلف مشارك في الدراسة: "إن القدرة على استخدام Solar Orbiter وParker Solar Probe في وقت واحد تفتح بعدًا جديدًا تمامًا لهذا البحث".
ومن خلال مقارنة المعدلات التي تم قياسها حديثًا مع سنوات من التنبؤات النظرية لعلماء الفيزياء الشمسية، أظهر دانيال أن علماء الفيزياء الشمسية كانوا على حق تقريبًا في تحديد الاضطراب كطريقة لنقل الطاقة.
مفهوم الفنان لمسبار باركر الشمسي الذي يقترب من الشمس. مصدر الصورة: ناسا/جونز هوبكنز APL/ستيف جريبن
إن الطريقة الدقيقة التي يخلق بها الاضطراب هذا التأثير لا تختلف عما يحدث عندما تقلب قهوتك في الصباح. ومن خلال تحفيز الحركة العشوائية للسائل (الغاز أو السائل)، يتم نقل الطاقة إلى مقاييس أصغر، مما يؤدي في النهاية إلى تحويل الطاقة إلى حرارة. في الهالة، يكون السائل ممغنطًا أيضًا، لذلك يمكن أيضًا تحويل الطاقة المغناطيسية المخزنة إلى طاقة حرارية.
إن نقل الطاقة المغناطيسية والحركية من المقاييس الأكبر إلى الأصغر هو جوهر الاضطراب. على أصغر المقاييس، يتسبب في تفاعل الموجات في النهاية مع الجسيمات الفردية (البروتونات بشكل أساسي) وتسخينها.
الاستنتاج والتنوير
لا يزال هناك المزيد من العمل الذي يتعين القيام به قبل حل مشكلة التسخين الشمسي، ولكن الآن، وبفضل عمل دانييلي، تمكن علماء الفيزياء الشمسية من قياس هذه العملية لأول مرة.
وقال عالم المشروع دانييل مولر: "هذه سابقة علمية".