حل لغز كوني عمره 65 عاما

قدمت المحاذاة الكونية والقليل من تمارين المركبات الفضائية قياسًا رائدًا يمكن أن يساعد في حل لغز كوني عمره 65 عامًا حول سبب ارتفاع درجة حرارة الغلاف الجوي للشمس.

الغلاف الجوي للشمس يسمى الإكليل. أنه يحتوي على غاز مشحون كهربائيا بلازما وتبلغ درجة حرارته حوالي مليون درجة درجة مئوية.

تبلغ درجة حرارة سطح الشمس حوالي 6000 درجة مئوية فقط، لذا فإن درجة حرارتها تظل لغزًا دائمًا. ويجب أن تكون الهالة أكثر برودة من السطح لأن طاقة الشمس تأتي من المفاعل النووي الموجود في قلبها، والمواد البعيدة عن مصدر الحرارة تبرد بشكل طبيعي. ومع ذلك، فإن الإكليل أكثر دفئًا بمقدار 150 مرة من السطح.

هناك طريقة أخرى لنقل الطاقة إلى البلازما يجب أن تنجح، ولكن ماذا؟

مبادئ وتحديات التحقيق

منذ فترة طويلة يشتبه في أن الاضطراب في الغلاف الجوي الشمسي يؤدي إلى تسخين البلازما في الهالة بشكل كبير. لكن عند دراسة هذه الظاهرة، يواجه علماء الفيزياء الشمسية مشكلة عملية: من المستحيل جمع كل البيانات التي يحتاجونها بمركبة فضائية واحدة فقط.

هناك طريقتان لدراسة الشمس: الاستشعار عن بعد والقياسات في الموقع. وفي الاستشعار عن بعد، يتم وضع المركبة الفضائية على مسافة معينة وتستخدم الكاميرات لمشاهدة الشمس وغلافها الجوي بأطوال موجية مختلفة. بالنسبة للقياسات في الموقع، تطير المركبة الفضائية عبر المنطقة التي تريد دراستها وتأخذ قياسات الجسيمات والمجالات المغناطيسية في تلك المنطقة من الفضاء.

كلا النهجين لهما مزاياهما. يُظهر الاستشعار عن بعد النتائج واسعة النطاق ولكن ليس تفاصيل العمليات التي تجري في البلازما. وفي الوقت نفسه، توفر القياسات في الموقع معلومات محددة جدًا حول العمليات صغيرة النطاق في البلازما، ولكنها لا تظهر كيف يؤثر ذلك على العمليات واسعة النطاق.

مسبار المركبة الفضائية المزدوج

للحصول على الصورة الكاملة، هناك حاجة إلى مركبتين فضائيتين. هذا ما يمتلكه علماء الفيزياء الشمسية حاليًا في شكل المركبة الفضائية Solar Orbiter التي تقودها وكالة الفضاء الأوروبية ومسبار باركر الشمسي التابع لناسا. تم تصميم Solar Orbiter للاقتراب من الشمس قدر الإمكان، ويقوم بوظائف الاستشعار عن بعد من خلال القياسات في الموقع. يقترب مسبار باركر الشمسي أكثر من القياسات الموقعية للشمس، متجاهلاً استشعاره عن بعد.

ولكن للاستفادة الكاملة من نهجهما التكميلي، يجب أن يكون مسبار باركر الشمسي على خط رؤية إحدى أدوات المركبة الشمسية. وبهذه الطريقة، سيتمكن المسبار الشمسي باركر باركر الشمسي من تسجيل التأثيرات واسعة النطاق المقاسة في الموقع.

تعد Solar Orbiter التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية واحدة من مركبتين فضائيتين متكاملتين لدراسة الشمس عن كثب: فهي تنضم إلى Parker Solar Probe التابع لناسا، والذي بدأ بالفعل في مهمته. المصدر: سولار أوربيتر: ESA/ATG medialab؛ مسبار باركر الشمسي: NASA/Johns Hopkins APL

التكامل الفيزيائي الفلكي

دانييل ديلوني، الباحث في المعهد الوطني الإيطالي للفيزياء الفلكية (INAF) في مرصد الفيزياء الفلكية في تورينو، هو جزء من الفريق الذي يقف وراء أداة MEDIS الخاصة بالمركبة الشمسية. Metis عبارة عن كوروناغراف يعترض الضوء من سطح الشمس ويلتقط صوراً للإكليل. إنها الأداة المثالية للقياسات واسعة النطاق، لذلك بدأ دانيال باركر في البحث عن الأوقات التي سيصطف فيها المسبار الشمسي.

في 1 يونيو 2022، ستكون كلتا المركبتين الفضائيتين في تكوين مداري مثالي تقريبًا. بشكل أساسي، سوف تنظر المركبة الشمسية المدارية إلى الشمس، وسيكون مسبار باركر الشمسي بعيدًا عن الجانب، قريبًا جدًا ولكن بعيدًا عن أنظار أداة MEDIS.

عندما نظر دانييل في المشكلة، أدرك باركر أن كل ما كان عليه فعله لعرض المسبار الشمسي هو أداء تمرين جمباز باستخدام Solar Orbiter: لفة بزاوية 45 درجة، ثم توجيهه بعيدًا عن الشمس.

ولكن عندما يتم التخطيط بعناية لكل مناورة لمهمة فضائية مسبقًا، وتكون المركبة الفضائية مصممة فقط في اتجاهات محددة للغاية، خاصة عند التعامل مع حرارة الشمس الرهيبة، فليس من الواضح ما إذا كان فريق عمليات مكوك الفضاء سيوافق على ذلك. انحراف. ومع ذلك، بمجرد أن يكون الجميع واضحين قدر الإمكان من الناحية العلمية، فإن الاستنتاج هو “نعم” واضح.

ستواجه مهمة Solar Orbiter التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية الشمس من أقرب مدار لها حول عطارد. المصدر: وكالة الفضاء الأوروبية/ATG medialab

ملاحظات الاختراق

ارتفع مؤشر اللفة والإزاحة؛ وصل مسبار باركر الشمسي إلى مجال الرؤية، وأنتجت المركبة الفضائية بشكل مشترك أول قياسات متزامنة للتكوين واسع النطاق للهالة الشمسية والخصائص الفيزيائية الدقيقة للبلازما.

وقال دانيال، الذي قاد تحليل مجموعات البيانات: “هذا العمل هو نتيجة العديد من المساهمات. ومن خلال العمل معًا، تمكنوا من إجراء أول تقدير رصدي ومكاني متكامل لمعدل التسخين الإكليلي”.

يقول غاري جانك Gary Jank من جامعة ألاباما في هانتسفيل بالولايات المتحدة الأمريكية، والمؤلف المشارك للورقة البحثية الناتجة: “لقد فتحت القدرة على استخدام كل من Solar Orbiter وParker Solar Probe بعدًا جديدًا تمامًا في هذا البحث”.

ومن خلال مقارنة النسبة التي تم قياسها حديثًا مع التنبؤات النظرية التي قدمها علماء الفيزياء الشمسية على مر السنين، أظهر دانيال أن علماء الفيزياء الشمسية كانوا على حق تقريبًا في تحديد الاضطراب كوسيلة لنقل الطاقة.

انطباع فني عن اقتراب المركبة الفضائية باركر سولار بروب من الشمس. حقوق الصورة: ناسا/جونز هوبكنز APL/ستيف جريبين

الطريقة المحددة التي يفعل بها الاضطراب ذلك لا تختلف عما يحدث عندما تحرك فنجان قهوة الصباح. من خلال إحداث حركات عشوائية للغاز أو السائل، يتم نقل الطاقة إلى كميات أصغر من أي وقت مضى، مما يؤدي في النهاية إلى تحويل الطاقة إلى حرارة. وفي حالة الهالة الشمسية، يكون السائل ممغنطًا أيضًا، وبالتالي يتم تحويل الطاقة المغناطيسية المخزنة أيضًا إلى حرارة.

إن نقل الطاقة المغناطيسية والحركية من الكميات الكبيرة إلى الكميات الصغيرة هو جوهر الاضطراب. على المقاييس الأصغر، تسمح التقلبات أخيرًا للجزيئات الفردية، معظمها من البروتونات، بتسخينها.

الاستنتاجات والآثار

هناك حاجة إلى مزيد من العمل قبل أن يتم حل مشكلة التسخين الشمسي، ولكن الآن، وبفضل عمل دانيال، أصبح لدى علماء الفيزياء الشمسية أول قياس لهذه العملية.

يقول عالم المشروع دانييل مولر: “هذا هو العلم أولاً. ويمثل هذا العمل خطوة مهمة إلى الأمام في حل مشكلة التسخين الإكليلي”.

إن Solar Orbiter هي مهمة فضائية للتعاون الدولي بين وكالة الفضاء الأوروبية ووكالة الفضاء الأوروبية ناساتديرها وكالة الفضاء الأوروبية.