ממצאים שנויים במחלוקת: אסטרופיזיקאים חושבים מחדש על שדות מגנטיים סולאריים

תופעות שמש כמו כתמי שמש והתלקחויות יכולות להיות תוצר של שדה מגנטי רדוד, על פי ממצאים חדשים ומפתיעים שעשויים לעזור למדענים לחזות את מזג האוויר בחלל.

פני השמש מסנוורים בכתמי שמש והתלקחויות, תוצרים של שדה מגנטי סולארי שנוצר על ידי מנגנון המכונה פעולת דינמו. באופן מסורתי, אסטרופיזיקאים האמינו שהשדה המגנטי הזה נוצר עמוק בתוך הכוכב. עם זאת, מחקר של MIT מצביע על כך שתופעות אלו עשויות למעשה להיות מעוצבות בתהליך הרבה יותר רדוד.

פורסם היום (22 במאי) בכתב העת טֶבַעהמחקר שנערך על ידי צוותים מ-MIT, אוניברסיטת אדינבורו ומוסדות אחרים מצביע על כך שחוסר יציבות בשכבות החיצוניות ביותר של השמש עשויות להיות אחראיות לשדה המגנטי שלה.

על ידי פיתוח מודל מפורט של פני השמש והדמיית הפרעות שונות ב פְּלַסמָה זרימה בתוך 5 עד 10 האחוזים העליונים של השמש, גילו החוקרים ששינויי פני השטח הללו יכולים ליצור דפוסי שדה מגנטי הדומים מאוד לאלו שנצפו על ידי אסטרונומים. לעומת זאת, הדמיות של שכבות השמש העמוקות יותר הניבו תיאורים פחות מדויקים של פעילות השמש.

שדות מגנטיים רדודים

הממצאים מצביעים על כך שכתמי שמש והתלקחויות יכולים להיות תוצר של שדה מגנטי רדוד, ולא שדה שמקורו עמוק יותר בשמש, כפי שמדענים הניחו במידה רבה.

"התכונות שאנו רואים כשמסתכלים על השמש, כמו העטרה שאנשים רבים ראו במהלך ליקוי החמה האחרון, כתמי שמש והתלקחויות שמש, קשורות כולן לשדה המגנטי של השמש", אומר מחבר המחקר קיטון ברנס, מדען מחקר ב- המחלקה למתמטיקה של MIT. "אנחנו מראים שהפרעות מבודדות ליד פני השמש, הרחק מהשכבות העמוקות יותר, יכולות לצמוח לאורך זמן כדי לייצר את המבנים המגנטיים שאנו רואים."

אם השדה המגנטי של השמש אכן נובע מהשכבות החיצוניות ביותר שלה, זה עשוי לתת למדענים סיכוי טוב יותר לחזות התלקחויות וסופות גיאומגנטיות שיש להם פוטנציאל לפגוע בלוויינים ומערכות תקשורת.

"אנחנו יודעים שהדינמו פועל כמו שעון ענק עם חלקים מורכבים רבים המקיימים אינטראקציה", אומר מחבר שותף ג'פרי ואסיל, חוקר מאוניברסיטת אדינבורו. "אבל אנחנו לא יודעים הרבה מהחלקים או איך הם משתלבים זה בזה. הרעיון החדש הזה של איך הדינמו הסולארי מתחיל חיוני להבנתו ולניבויו".

מחברי המחקר כוללים גם את דניאל לקואנט וקייל אוגוסטסון מ האוניברסיטה הצפון מערביתג'פרי אושי מבייטס קולג', בנג'מין בראון וקית' ג'וליאן מאוניברסיטת קולורדו בבולדר, וניקולס ברומל מאוניברסיטת קליפורניה בסנטה קרוז.

דינמיקה של אזור הסעה

השמש היא כדור פלזמה לוהט לבן שרותח על פניו. אזור רותח זה נקרא "אזור ההסעה", שבו שכבות ותמרות פלזמה מתגלגלות וזורמות. אזור ההסעה מהווה את השליש העליון מרדיוס השמש ונמתח כ-200,000 קילומטרים מתחת לפני השטח.

"אחד הרעיונות הבסיסיים לאיך להתחיל דינמו הוא שאתה צריך אזור שבו יש הרבה פלזמה שעוברת על פני פלזמה אחרת, ושתנועת גזירה ממירה אנרגיה קינטית לאנרגיה מגנטית", מסביר ברנס. "אנשים חשבו שהשדה המגנטי של השמש נוצר על ידי התנועות בתחתית אזור ההסעה."

כדי לקבוע היכן בדיוק מקור השדה המגנטי של השמש, מדענים אחרים השתמשו בהדמיות תלת-ממדיות גדולות כדי לנסות לפתור את זרימת הפלזמה לאורך השכבות הרבות של פנים השמש. "הסימולציות האלה דורשות מיליוני שעות במתקני מחשוב-על לאומיים, אבל מה שהם מייצרים עדיין לא קרוב לסוער כמו השמש בפועל", אומר ברנס.

במקום לדמות את הזרימה המורכבת של פלזמה בכל גוף השמש, ברנס ועמיתיו תהו האם מחקר של יציבות זרימת הפלזמה ליד פני השטח עשוי להספיק כדי להסביר את מקורותיו של תהליך הדינמו.

כדי לחקור את הרעיון הזה, הצוות השתמש לראשונה בנתונים מתחום ה"הליוסיזם", שבו מדענים משתמשים בתנודות שנצפו על פני השמש כדי לקבוע את המבנה והזרימה הממוצעת של פלזמה מתחת לפני השטח.

"אם אתה מצלם סרטון של תוף ותראה איך הוא רוטט בהילוך איטי, אתה יכול להבין את הצורה והקשיחות של ראש התוף מתוך מצבי הרטט", אומר ברנס. "באופן דומה, אנו יכולים להשתמש בתנודות שאנו רואים על פני השמש כדי להסיק את המבנה הממוצע מבפנים."

בצל סולארי

לצורך המחקר החדש שלהם, החוקרים אספו מודלים של מבנה השמש מתצפיות הליוסאיזמיות. "הזרימות הממוצעות הללו נראות כמו בצל, כאשר שכבות שונות של פלזמה מסתובבות זו על פני זו", מסביר ברנס. "ואז אנחנו שואלים: האם יש הפרעות, או שינויים זעירים בזרימת הפלזמה, שנוכל להרכיב על גבי המבנה הממוצע הזה, שעלולים לגדול ולגרום לשדה המגנטי של השמש?"

כדי לחפש דפוסים כאלה, הצוות השתמש בפרויקט Dedalus – מסגרת מספרית שפיתח ברנס שיכולה לדמות סוגים רבים של זרימות נוזלים בדיוק רב. הקוד יושם למגוון רחב של בעיות, החל ממודלים של הדינמיקה בתוך תאים בודדים, וכלה במחזוריות האוקיינוס ​​והאטמוספירה.

"משתפי הפעולה שלי חשבו על בעיית המגנטיות הסולארית במשך שנים, והיכולות של Dedalus הגיעו כעת לנקודה שבה נוכל לטפל בה", אומר ברנס.

הצוות פיתח אלגוריתמים שהם שילבו בדדלוס כדי למצוא שינויים מחזקים את עצמם בזרימות פני השטח הממוצעות של השמש. האלגוריתם גילה דפוסים חדשים שיכולים לצמוח ולהביא לפעילות סולארית מציאותית. בפרט, הצוות מצא דפוסים התואמים את המיקומים ולוחות הזמנים של כתמי שמש שנצפו על ידי אסטרונומים מאז גלילאו ב-1612.

כתמי שמש הם מאפיינים חולפים על פני השמש שנחשבים מעוצבים על ידי השדה המגנטי של השמש. אזורים קרירים יחסית אלו מופיעים ככתמים כהים ביחס לשאר פני השטח הלוהטים-לבנים של השמש. אסטרונומים הבחינו זה מכבר שכתמי שמש מתרחשים בתבנית מחזורית, גדלים ונסוגים כל 11 שנים, ובדרך כלל נמשכים סביב קו המשווה, ולא ליד הקטבים.

בסימולציות של הצוות, הם מצאו ששינויים מסוימים בזרימת הפלזמה, בתוך 5 עד 10 אחוזים העליונים בלבד משכבות פני השמש, הספיקו כדי ליצור מבנים מגנטיים באותם אזורים. לעומת זאת, שינויים בשכבות העמוקות יותר מייצרים שדות שמש פחות מציאותיים המרוכזים ליד הקטבים, ולא ליד קו המשווה.

לצוות היה מוטיבציה להסתכל מקרוב על דפוסי זרימה בקרבת פני השטח שכן התנאים שם דומים לזרימות הפלזמה הלא יציבות במערכות שונות לחלוטין: דיסקיות ההצטברות סביב חורים שחורים. דיסקיות צבירה הן דיסקיות מסיביות של גז ואבק כוכבים המסתובבות פנימה לכיוון א חור שחורמונעת על ידי "אי היציבות המגנטורית", אשר מייצרת מערבולות בזרימה וגורמת לה ליפול פנימה.

ברנס ועמיתיו חשדו כי תופעה דומה מתרחשת בשמש, וכי חוסר היציבות המגנוטוציונית בשכבות החיצוניות ביותר של השמש עשויה להיות הצעד הראשון ביצירת השדה המגנטי של השמש.

ממצאים שנויים במחלוקת ומחקר מתמשך

"אני חושב שהתוצאה הזו עשויה להיות שנויה במחלוקת", הוא מעז. "רוב הקהילה התמקדה במציאת פעולת דינמו עמוק בשמש. עכשיו אנחנו מראים שיש מנגנון אחר שנראה כהתאמה טובה יותר לתצפיות". ברנס אומר שהצוות ממשיך לחקור אם דפוסי שדה פני השטח החדשים יכולים ליצור כתמי שמש בודדים ואת מחזור השמש המלא של 11 שנים.

מחקר זה נתמך, בחלקו, על ידי נאס"א.