فيزيائيون ينجحون في توليد توهجات شمسية صغيرة في المختبر!

قام فريق من الفيزيائيين بنمذجة التوهجات الشمسية لدراسة الأشعة السينية القوية والجسيمات النشطة التي تتدفق عبر النظام الشمسي، باستخدام جهاز يحول الاندفاعات القوية من الكهرباء إلى حلقات من البلازما تشبه الخيوط.

وكتب فريق بقيادة الفيزيائي يانغ زانغ من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: “تكشف الملاحظات الشمسية عن الجسيمات النشطة والأشعة السينية الصلبة ولكنها لا تستطيع الكشف عن آلية التوليد لأن تسارع الجسيمات يحدث على نطاق أصغر من دقة الملاحظة. هنا، نقدم ملاحظات من تجربة معملية تحاكي فيزياء الحلقة الإكليلية الشمسية”.

وتعد الشمس عبارة عن كرة بلازما ديناميكية للغاية تعمل بالاندماج النووي، لذا فليس من المستغرب أن تصل إلى بعض الخدع. يمكن أن تؤثر الانفجارات القوية التي تقذف الضوء والجسيمات إلى الفضاء المحيط بها على النظام الشمسي عبر مسافات كبيرة.

ونحن بالتأكيد نختبر تلك التأثيرات هنا على الأرض. يحمينا الغلاف المغناطيسي والغلاف الجوي من الأشعة السينية الصلبة عالية الطاقة، ولكن يمكن أن تتداخل المقذوفات الشمسية مع الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية، بما في ذلك تكنولوجيا الملاحة والاتصالات، ويمكن أن تتسبب في تقلبات شبكة الطاقة وتعطلها. لذا فإن العلماء، بطبيعة الحال، يريدون معرفة المزيد عن كيفية تكوين الشمس للمواد وطردها في المقام الأول.

لكن هناك الكثير الذي يمكننا استخلاصه من النظر إلى الشمس نفسها؛ هناك حد لحجم الملاحظات التي يمكننا إجراؤها باستخدام التكنولوجيا الحالية. من أجل دراسة تلك التفاصيل الأصغر، تحول علماء الفيزياء إلى أفضل شيء تالي: تكرار التوهجات الشمسية في المختبر.

وقام الفيزيائي بول بيلان من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا بتصميم جهاز تجريبي خصيصا لتوليد الهياكل المعروفة باسم الحلقات الإكليلية. هذه أقواس طويلة ومغلقة من البلازما المتوهجة المنبعثة من الفوتوسفير الشمسي، على طول خطوط المجال المغناطيسي التي تبرز في الإكليل الشمسي. وغالبا ما ترتبط هذه بالنشاط الشمسي المتزايد، مثل التوهجات والانبعاثات الكتلية الإكليلية.

ويتكون هذا الجهاز من فوهات غازية ومغناطيسات كهربائية وأقطاب كهربائية في غرفة مفرغة.

أولا، يتم تشغيل المغناطيسات الكهربائية، لتوليد مجال مغناطيسي داخل حجرة التفريغ. ثم يتم حقن الغاز في منطقة القطب.

ثم يتم تطبيق تفريغ كهربائي قوي على نطاقات ميلي ثانية عبر الأقطاب الكهربائية؛ يؤدي هذا إلى تأين الغاز، وتحويله إلى بلازما تشكل بعد ذلك حلقة مقيدة بالمجال المغناطيسي.

ويشرح بيلان قائلا: “تستهلك كل تجربة قدرا من الطاقة يقارب ما يتطلبه تشغيل مصباح كهربائي بقوة 100 واط لمدة دقيقة تقريبا، ويستغرق شحن المكثف بضع دقائق فقط”.

وتدوم كل حلقة 10 ميكروثانية فقط، وهي صغيرة جدا، يبلغ طولها حوالي 20 سم (7.9 بوصة) وقطرها سنتيمتر واحد. لكن الكاميرات عالية السرعة تسجل كل لحظة من تكوين الحلقة وانتشارها، ما يسمح لفريق البحث بتحليل تكوينها وهيكلها وتطورها بالتفصيل.

وتعلم العلماء مؤخرا أن الحلقات الإكليلية لا تشبه الخيوط فحسب، بل إنها منظمة على هذا النحو أيضا. وسمح العمل الجديد للفريق بمعرفة الدور الذي يلعبه هذا الهيكل في إنتاج مقذوفات شمسية.

واتضح أن هذه الخيوط مسؤولة عن انفجارات الأشعة السينية. لأن البلازما موصل قوي، فإن التيار يمر عبر الحلقات؛ ولكن بين الحين والآخر، يتجاوز التيار قدرة الحلقة، مثل الكثير من المياه التي تمر عبر الخرطوم.

وعندما يحدث هذا، تظهر صور الفريق، عدم استقرار يشبه المفتاح يتطور في الحلقة، وتبدأ الخيوط الفردية في الانكسار، ما يضع مزيدا من الضغط على الخيوط المتبقية.

وعندما ينكسر الخيط، ينتج عن ذلك اندفاعة من الأشعة السينية، مصحوبة بارتفاع جهد سلبي. ويؤدي انخفاض الجهد هذا إلى تسريع الجسيمات المشحونة في البلازما؛ عندما تتباطأ هذه الجسيمات، تنبعث دفقة من الأشعة السينية.

وستساعد الدراسات المستقبلية للشمس في كشف هذه العملية بشكل أكبر، لكن يبدو أنها تتفق مع الدراسات الأخرى التي وجدت كيف أن قطع خطوط المجال المغناطيسي وإعادة توصيلها يؤديان إلى اندفاعات قوية من الطاقة. ويعتزم الفريق المتابعة من خلال دراسة الطرق المختلفة التي يمكن من خلالها دمج الحلقات الإكليلية وإعادة تشكيلها لمعرفة أنواع الانفجارات التي ينتجها هذا النشاط.

نُشر البحث في مجلة Nature Astronomy.