اكتشاف بنى مغناطيسية تكشف سر سخونة هالة الشمس

لغز ارتفاع حرارة هالة الشمس بملايين الدرجات فوق حرارة سطحها لم يُحسم بعد، لكنّ بيانات مسبار Parker Solar Probe قدّمت خيطاً جديداً قد يقرّب الجواب. فقد رصد باحثون في الرياح الشمسية بنيةً مغناطيسية غير متوقعة: قمّتين حلزونيتين متقابلتين في اتجاه الدوران، عند الحدّ الفاصل بين سلوك الموائع وسلوك الجسيمات. ويرى الباحثون أنّ هذا الرصد قد يساعد على فهم كيفية انتقال الطاقة عبر البلازما الشمسية، وكيف تتكوّن بعض البنى المغناطيسية، ومنها «الانعطافات المغناطيسية» (Switchbacks) المرتبطة بهالة الشمس.

نشر الدراسة Masatomi Iizawa، من جامعة براونشفايغ التقنية (Technical University of Braunschweig)، مع زملائه المشاركين في التأليف، في مجلة «ذا أستروفيزيكال جورنال ليترز» (The Astrophysical Journal Letters). والعمل تحليلٌ لبيانات رصدٍ أرسلها المسبار، وليس تجربة مخبرية. وهو يُضاف إلى بيانات Parker Solar Probe وSolar Orbiter التي تحسّن خرائط التعقيد الشمسي. ويمكن الاطلاع على إعلان جامعة براونشفايغ عن الدراسة وعلى الورقة البحثية المنشورة.

لماذا تتنازع مدرستان تفسير الرياح الشمسية؟

البيئة المغناطيسية للشمس مزيجٌ من حقولٍ متشابكة وتيّاراتٍ من الجسيمات المشحونة، منها الأيونات والبروتونات والإلكترونات. ومنذ عقود يعتمد فيزيائيو الشمس نهجين متنافسين لنمذجتها.

• الأول هو الهيدرودينامية المغناطيسية (Magnetohydrodynamics)، وهي رياضيات حركة الموائع مقترنةً بالمغناطيسية. تتعامل مع الرياح الشمسية بوصفها مائعاً موصلاً للكهرباء وممغنطاً، وتصف تفاعلاتها الواسعة النطاق مع السمات المغناطيسية ومع المجموعة الشمسية.

• الثاني هو النموذج الجسيمي، ويعمل على المقياس الدقيق. يصف الأيونات المشحونة فرادى، إذ تدور البروتونات والإلكترونات حول خطوط الحقل المغناطيسي.

الجمع بين الإطارين ما زال صعباً. والواجهة التي تفصل سلوك البلازما الواسع عن سلوك الأيون المفرد هي موضع الدراسة، وفهمها قد يسهم في تفسير سخونة الهالة الشاذة، وهي مسألة قديمة في فيزياء الشمس.

ما الذي تعنيه «الحلزونية المغناطيسية» هنا؟

الحلزونية المغناطيسية (Magnetic Helicity) مقياسٌ لمدى التواء خطوط الحقل المغناطيسي وتلفّفها وتشابكها. ولها «يدية»، أي أنها إمّا يمنى أو يسرى. ويمكن تقريب الفكرة بسلك الهاتف الملتوي: التفاف باتجاه عقارب الساعة يمثّل الحلزونية اليمنى، والالتفاف عكسه يمثّل اليسرى.

المتوقع أنّ فوضى الحقل المغناطيسي الشمسي تطمس أثر اليدية عادةً. غير أنّ بيانات Parker أظهرت إشارةً حلزونية عند واجهة الموائع والجسيمات. وحلّل الباحثون أطياف كثافة الحلزونية المغناطيسية المُطبَّعة، فبانت قمّتان حلزونيتان متقابلتان في الدوران قرب ما يُعرف بالواجهة الحركية للأيونات.

ومن اللافت أنّ الحلزونات التي رصدها المسبار مالت إلى ترددات أدنى مما يُتوقع من البيئات المحلية. ويدلّ هذا الانحياز نحو الترددات المنخفضة على تطوّر «غير محلي»، أي أنّ البنى ترتبط عبر مقاييس مختلفة، من تموّجات الجسيمات الدقيقة إلى حركات الموائع الكبيرة.

ما علاقة «حاجز الحلزونية» بسخونة الهالة؟

قد يرتبط هذا التراكم المغناطيسي بما يسمّى حاجز الحلزونية (Helicity Barrier)، وهو انسداد مقترح أمام انتقال الطاقة المضطربة عند الحدّ بين المائع والجسيم. وتصف نماذج البلازما المضطربة الطاقة وهي تنتقل من دوّامات كبيرة إلى تموّجات أيونية صغيرة، وتتبدّد عادةً في صورة حرارة مجهرية. أما في البلازما المضطربة ذات اليدية، فيُحجب تدفق الطاقة عند حدّ الأيونات، ويمنع الحاجز تبدّدها عند الانتقال من المائع إلى الجسيم.

والطاقة المحجوبة لا تختفي، فقد تتحول إلى التواءات وبنى مغناطيسية أكبر. وبعض هذه البنى الكبيرة يظهر في الهالة على هيئة انعطافات مغناطيسية. وقد أظهرت بيانات Parker نمط التراكم المغناطيسي هذا. وتتصل الفكرة بسؤال حرارة الهالة، لكن الدراسة تطرحها احتمالاً يساعد على التفسير ولا تقدّمها جواباً نهائياً.

متى تختفي البصمة؟

للإشارة حدودها. فالصفيحة التيارية الهليوسفيرية (Heliospheric Current Sheet) تفصل بين قطبيتين مغناطيسيتين متعاكستين. وحين يعبرها تيار من الرياح الشمسية، يفقد بنيته وبصمته الحلزونية. ويوحي هذا بأنّ الظاهرة مرتبطة بتنظيم مغناطيسي يمكن أن يتلاشى في ظروف معينة.

وماذا بعد؟

مهمة Parker لم تنتهِ، ومن المنتظر أن تأتي منها رؤى إضافية عن البيئة الشمسية. لكنّ الفهم الكامل لهذه الظاهرة قد يتطلب وقتاً أطول من عمر المهمة نفسها، وهو ما يعني أنّ الأسئلة المفتوحة ستنتقل إلى بيانات وبعثات لاحقة.

وللمسبار مادة أخرى جديرة بالمتابعة. فقد ناقش Fraser وPamela مهمة Parker في مادة مرتبطة بالموضوع، ونُشر على الموقع نفسه عنوان يفيد بأنّ المسبار تعرّض لقذائف كتلية إكليلية 28 مرة خلال 4 سنوات. ويتناول مقال مرتبط آخر تتبّع Solar Orbiter للانعطافات المغناطيسية العملاقة إلى أصلها على الشمس. والسؤال الذي سيشغل الباحثين هو: هل تتأكد هذه الصلة بين حاجز الحلزونية والانعطافات وحرارة الهالة بقياسات أخرى؟