راز لکه های خورشید در حال آشکار شدن است

برای یک گروه از دانشمندان از دانشگاه هاوایی و رصدخانه ی ملی خورشیدی (NSO) واقع در قله ی ساکرامنتو، جایی مناسب‌تر از Sunspot نیومکزیکو برای رصد لکه های خورشید پیدا نمی شود. این ستاره شناسان با بهره از روشی میان بر، میزان هیدروژن مولکولی (H2) در مرکز لکه های خورشید را اندازه گرفتند. H2 حالتی از هیدروژن است که به طور طبیعی در جاهایی که نسبت به سطح سوزان خورشید، خنک ترند یافته می شود.

ستاره شناسان در تاریخ 15 ژوییه ی 2002، با بهره از تلسکوپ خورشیدی 1 متری سوئدی، از
منطقه ی فعال 10،030 (تصویر بالا) عکس گرفتند. بر پایه ی یک پژوهش تازه، شکل گیری
هیدروژن مولکولی در مرکز لکه ها می تواند باعث پیدایش میدان های مغناطیسی اَبَرنیرومندی
که در چنین پدیده هایی مشاهده شده گردد.

خورشید عمدتن از هیدروژن ساخته شده - این عنصر تا 90 درصد جرم خورشید را تشکیل می دهد در حالی که هلیوم حدود 10 درصد و بقیه ی چیزهای دیگر هم تنها 0.13 درصد در جرم خورشید سهیمند. از آن جایی که خورشید بسیار بسیار داغ است (میانگین 5,500 درجه ی سانتیگراد یا 9944 درجه ی فارنهایت)، این هیدروژن عمومن به حالت تک اتم یونیده - به عبارتی، تنها هسته ی هیدروژن - می باشد که به شکل گاز در جریان است. آشکارسازی H2 در لکه ها، که برای نخستین بار در ستاره شناسی خورشیدی انجام می‌شود، می تواند به توضیح رفتار میدان‌های مغناطیسی درون این پدیده های تاریک کمک کند.

دانشمندان تا چندین دهه از وجود H2 درون لکه ها بی‌خبر بودند. در دهه ی 1970 به کمک فضاپیما، H2 را در مناطقی بالای لکه های خورشید یافتند ولی هرگز نتوانستند این مولکول را درون خود لکه ها ببینند. به گفته ی یکی از نویسندگان پژوهش، Sarah Jaeggli که اکنون در دانشگاه ایالتی مونتاناست، از آن جایی که H2 بالای لکه ها پیدا شده بود، احتمال بسیاری می رفت که در بخش مرکزی و خنک تر لکه ها که umbra خوانده می شود نیز وجود داشته باشد.

میان سال های 2001 تا 2010، Jaeggli و همکارانش با بهره از تلسکوپ خورشیدی Dunn در رصدخانه ی ملی خورشیدی در نیومکزیکو، به رصد 23 منطقه ی فعال خورشید پرداختند. گرچه آن ها نتوانستند به طور مستقیم H2 را مشاهده کنند ولی به کمک یک نماینده ی شناخته شده، یعنی هیدروکسید، به وجودش پی بردند. این سنجش های طیفی از هیدروکسید بود که به اخترشناسان اجازه داد در همراهی با نظریه های کنونی، وجود مقادیر چشمگیر هیدروژن مولکولی در خنک ترین مناطق لکه ها را شناسایی کنند. تا جایی که Jaeggli می داند، این نخستین باری بود که یک تلسکوپ روی زمین برای اندازه گیری H2 در لکه‌های خورشید به کار گرفته می شد.

دینامیک و پویایی فیزیکی لکه های خورشیدی با محیط پیرامون آن ها تفاوت دارد، دمایشان پایین تر و میدان های مغناطیسیشان نیرومندتر از نواحی دیگر است (همین دمای پایین تر است که باعث می شود این مناطق روی سطح خورشید، تیره و تاریک دیده شوند). در حقیقت، این میدان های مغناطیسی هستند که لکه ها را تا این اندازه خنک ساخته اند. وقتی میدان های مغناطیسی از ژرفای درون خورشید رو به بالا و سطح خورشید، یا فوتوسفر (نورسپهر) می آیند، جلوی گازهای نزدیکشان را می گیرند و آن ها را "خفه" می کنند: چرخه ی جابجایی ماده ی داغ از درون خورشید تا سطح آن به طور طبیعی دمای گاز را در حد دمای سوزان 5,000 تا 6,500 درجه ی کلوین نگه می دارد، ولی این جریان همرفتی نمی تواند به خوبی به منطقه ای که در پیله ی میدان مغناطیسی جای گرفتهه برسد. یک نتیجه این می شود که دمای گاز تا حدود 1,500 درجه پایین می آید و این افت دما، دریچه ی شانسی برای شکل گیری H2 می گشاید.

دانشمندان در مقاله ای که در شماره ی نخست ماه فوریه ی نشریه ی اخترفیزیک منتشر شد، گزارشی از شدت میدان مغناطیسی، دما، و میزان H2 موجود در یک لکه در مقایسه با شمار کلی اتم های آن لکه، برای هفت منطقه از 23 منطقه ی فعالی که رصد کرده بودند را ارایه دادند. آنچه آنان دریافتند این بود که قوی ترین میدان های مغناطیسی، بیشترین مولکول H2 را در بر داشت - بالاترین فراوانی H2، بنا بر این گزارش، 2.3 درصد بود.

ولی به گفته ی ستاره شناسان، این ارتباط میان میدان های مغناطیسی و هیدروژن مولکولی، پیوندی یک طرفه نیست. بر پایه ی گزارش دانشمندان، H2 هم باعث "شدت گیری سریع میدان مغناطیسی" می شود. با شکل گیری H2، فشار گاز درون یک لکه پایین می آید، زیرا مولکول ها حجم کمتری را نسبت به اتم های آزاد هیدروژن اشغال می کنند. با پایین آمدن فشار، لکه کوچک می شود و میدان مغناطیسی که درون گاز داغ و یونیده به دام افتاده را منقبض و فشرده می کند. هر چه میدان مغناطیسی فشرده تر می شود، گاز را بیش تر خنک می کند، و مولکول های بیشتری ساخته می شود و این چرخه همین گونه پی گرفته می شود. به نظر نویسندگان مقاله، این پدیده ی "رها سازی" موقتی است و دما تا یک حدی می تواند پایین بیاید؛ با رسیدن دما به یک نقطه ی معین، دیگر افزایش شدت میدان مغناطیسی روی دمای لکه تاثیری نخواهد گذاشت، در نتیجه مولکول هیدروژن بیشتری ساخته نخواهد شد؛ و این خیلی پیش از آن رخ می دهد که همه ی هیدروژن های لکه فرصت بیابند به هم بپیوندند و مولکول بسازند.

در گام های آغازین پیدایش و خنک شدن یک لکه ی خورشیدی، شکل گیری H2 می تواند به طور موقتی به رها سازی و شدت گرفتن میدان مغناطیسی بیانجامد. میدان مغناطیسی جلوی جریان انرژی از درون خورشید به بیرون را می گیرد، و لکه خنک تر می شود. با سرد شدن لکه ها، مولکول هیدروژن ساخته می شود که نصف حجم اتم های هیدروژن را اشغال می کنند، بنابر این فشار پایین می آید و میدان مغناطیسی را فشرده می سازد، و دوباره ... (منبع)

به گفته ی متیو پن از رصدخانه ی ملی خورشیدی توسان، که در این پژوهش شرکت نداشت، اندازه گیری فراوانیِ H2 درون لکه‌ها، تکه ای مهم از پازل شناخت تکامل لکه های خورشیدی را برای ما فراهم می کند. با وجودی که لکه ها تنها چند روز تا چند هفته دوام می آورند، ولی میدان های مغناطیسی نیرومندشان می تواند شراره های خورشیدی پدید آورد که به ماهواره های پیرامون زمین آسیب برسانند. از همین رو، شناخت "چگونگی تغییر و دگرگونی میدان های مغناطیسی درون یک لکه ی خورشیدی در گذر زمان"می تواند ابزاری کارا و موثر برای پیش بینی آب و هوای ستیزه جوی فضا به ما ارایه دهد.

پن می گوید: «اندازه گیری های میدان های مغناطیسی [فعلن] در این حد است. این که بتوانیم دریابیم چگونه از خود مولکول ها برای اندازه گیری میدان مغناطیسی بهره بگیریم یک گام کلیدی خواهد بود... واقعن لازم است برای پیش بینی شراره های خورشید، از چگونگی تغییرات میدان مغناطیسی سر در بیاوریم.»

در همین زمینه: آیا خورشید به خواب می رود؟ * چشم رازگونه ی خورشید * روشی تازه برای پیش بینی توفان های خورشیدی   

 واژه نامه:

National Solar Observatory - sunspot - molecular hydrogen - H2 - umbra - Sarah Jaeggli - NSO - Dunn Solar Telescope - active region - hydroxide - magnetic field - Sun - Astrophysical Journal - atom - ionized gas - molecule - Matthew Penn - solar flare - Active Region 10030 .

منبع: skyandtelescope

برگردان: یک ستاره در هفت آسمان