رازگشایی از رقص مرگبار خورشید: نگاهی نو به بادهای فضایی و خطرات پنهان آن

آیا می‌دانستید که زمین، سپر نامرئی و قدرتمندی دارد که از ما در برابر تشعشعات مرگبار خورشید محافظت می‌کند؟ این سپر، مغناطیس‌سپهر نام دارد و در نبردی دائمی با جریان ذرات باردارِ بادهای خورشیدی است. این مقاله، دریچه‌ای نو به این میدان جنگ فضایی می‌گشاید و از کشفیات هیجان‌انگیز دانشمندان برای رصد و پیش‌بینی این رویدادهای خطرناک پرده برمی‌دارد.

در ارتفاعی بسیار بالا بر فراز سیاره ما، جایی که مغناطیس‌سپهر به فضای تهی می‌رسد، نبردی مهیب در حال وقوع است. ذرات باردارِ ساطع‌شده از باد خورشیدی دائماً به سمت زمین هجوم می‌آورند، اما خوشبختانه توسط سپر مغناطیسی سیاره ما منحرف می‌شوند. این سد نامرئی، ماهواره‌ها، سیستم‌های GPS و فضانوردان را از تشعشعات مضر خورشیدی در امان نگه می‌دارد.

با این حال، این دفاع بی‌نقص نیست. هنگامی که خطوط میدان مغناطیسی از هم جدا شده و دوباره به هم متصل می‌شوند (فرآیندی به نام اتصال مجدد مغناطیسی)، فوران‌های انرژی عظیمی در فضا رخ می‌دهند. این پدیده‌ها می‌توانند به ماهواره‌ها آسیب برسانند و ارتباطات را مختل کنند. این خطرات، دانشمندان را به یافتن راه‌های جدیدی برای پیش‌بینی وقوع آن‌ها قبل از وقوع وادار کرده است.

دستیابی به پیشرفتی بزرگ در پایش اتصال مجدد مغناطیسی

دهه‌ها است که محققان برای اندازه‌گیری سرعت و قدرت اتصال مجدد مغناطیسی تلاش می‌کنند. روش‌های سنتی متکی به عبور فضاپیماها از مناطق باریک فضا یا مشاهده از نقاط دید محدود بود. اما اکنون، تیمی از دانشمندان ژاپنی به سرپرستی یوسوکه ماتسوموتو از موسسه تحقیقات پیشرفته دانشگاه چیبا، راه‌حلی اساسی و نوین ارائه داده‌اند: استفاده از پرتوهای ایکس نرم برای تجسم این تعاملات کیهانی نامرئی.

این رویکرد نوآورانه از پدیده‌ای به نام تبادل بار باد خورشیدی (SWCX) بهره می‌برد. در این پدیده، یون‌های باد خورشیدی با اتم‌های هیدروژن خنثی اطراف زمین برخورد کرده و نور ضعیفی از اشعه ایکس ساطع می‌کنند. تیم ماتسوموتو با کمک ابررایانه فوگاکو در ژاپن، تابش اشعه ایکس را در طول یک پرتاب جرم تاجی (coronal mass ejection) (یک رویداد شدید خورشیدی که فضا را با ذرات پرسرعت پر می‌کند) شبیه‌سازی کرد. مدل‌های آن‌ها نشان داد که چگونه می‌توان اشعه ایکس را از نقطه‌ای به دوری ماه رصد کرد. ماه، محل برنامه‌ریزی‌شده آتی ماهواره‌هایی مانند GEO-X خواهد بود که کل سمت رو به خورشید مغناطیس‌سپهر زمین را پایش می‌کند.

این شبیه‌سازی‌ها، ساختارهای V شکلِ اشعه ایکس قابل توجهی را نشان دادند که منعکس‌کننده مسیرهای خطوط میدان مغناطیسی متصل‌شده بودند. این تیم با تجزیه و تحلیل زوایای این اشکال، یک نرخ اتصال مجدد جهانی ۰.۱۳ را محاسبه کرد که با پیش‌بینی‌های نظری و داده‌های تجربی گذشته مطابقت دارد. ماتسوموتو توضیح داد: “تصویربرداری از اشعه ایکس از مرز مغناطیس‌سپهر رو به خورشید اکنون می‌تواند به‌طور بالقوه میزان جریان انرژی باد خورشیدی به داخل مغناطیس‌سپهر را کمی‌سازی کند و اشعه ایکس را به یک ابزار تشخیصی جدید برای آب و هوای فضایی تبدیل کند.”

پر کردن شکاف بین داده‌های محلی و پایش جهانی

تا به امروز، تحقیقات مربوط به آب و هوای فضایی با یک شکاف اساسی مواجه بود. فضاپیماها فقط می‌توانستند داده‌های محلی و در مقیاس کوچک ارائه دهند، در حالی که جریان انرژی در مقیاس بزرگ تا حد زیادی تئوری باقی مانده بود. تیم ماتسوموتو با مقایسه شبیه‌سازی‌های اشعه ایکس خود با مدل‌های مغناطیس‌هیدرودینامیک (MHD) نشان داد که اشعه ایکس نرم می‌تواند هم محل وقوع اتصال مجدد و هم سرعت وقوع آن را در سراسر مغناطیس‌سپهر نشان دهد.

این پیشرفت به دانشمندان این امکان را می‌دهد تا تصویربرداری جهانی را با اندازه‌گیری‌های محلی متحد کنند و تصویری واضح‌تر از چگونگی تأثیر آب و هوای فضایی بر زمین ایجاد کنند. مشاهدات هماهنگ بین ماهواره‌های اشعه ایکس و فضاپیماهای درجا می‌تواند توانایی ما در پایش و درک این تعاملات قدرتمند را متحول کند. برای اولین بار، دانشمندان ممکن است به‌زودی ابزارهایی برای ردیابی آب و هوای فضایی با همان سطح دقتی که هواشناسان طوفان‌ها را روی زمین ردیابی می‌کنند، در اختیار داشته باشند.

چرا این کشف می‌تواند پیش‌بینی آب و هوای فضایی را تغییر دهد؟

پیامدهای این تحقیق فراتر از علاقه آکادمیک است. پدیده‌های اتصال مجدد مغناطیسی خطری واقعی برای زیرساخت‌هایی هستند که زندگی مدرن به آن‌ها وابسته است. طوفان‌های خورشیدی قدرتمند می‌توانند به تجهیزات الکترونیکی فضاپیماها آسیب برسانند، فضانوردان را به خطر اندازند و حتی شبکه‌های برق روی زمین را مختل کنند. ماهواره‌های مجهز به تصویربرداری اشعه ایکس می‌توانند به عنوان یک سیستم هشدار اولیه عمل کنند، درست مانند رادارهای هواشناسی که آسمان را برای یافتن نشانه‌های طوفان‌های خطرناک اسکن می‌کنند.

پتانسیل این فناوری به زمین محدود نمی‌شود. اتصال مجدد مغناطیسی یک پدیده جهانی است که رفتار ستارگان، سیاهچاله‌ها و حتی مهار پلاسما در رآکتورهای همجوشی را شکل می‌دهد. همانطور که ماتسوموتو خاطرنشان کرد، “اتصال مجدد مغناطیسی نه تنها مسئول نقض سپر مغناطیسی زمین است، بلکه فرآیند اساسی در پس رویدادهای انفجاری در دستگاه‌های پلاسما، خورشید و سیاهچاله‌ها نیز هست.”

منبع