خورشید در آزمایشگاه!

_ ایسنا به نقل از ساینس دیلی نوشت: این که چرا تاج خورشیدی به دمای چند میلیون درجه سلسیوس می‌رسد، یکی از اسرار بزرگ فیزیک خورشیدی است. یک دنباله داغ، به ناحیه‌ای از جو خورشید درست زیر تاج می‌رسد که در آنجا، امواج صوتی و امواج پلاسمای ویژه با سرعت مشابه حرکت می‌کنند. پژوهشگران آزمایشگاه "هلمهولتس زنتروم درسدن روسندورف" (HZDR) وابسته به "انجمن هلمهولتس مراکز تحقیقاتی آلمان" (Helmholtz Association) طی آزمایشی، با استفاده از فلز قلیایی مذاب روبیدیوم و میدان‌های مغناطیسی با پالس بالا، یک مدل آزمایشگاهی را توسعه داده‌اند و برای نخستین بار به صورت تجربی، رفتار پیش‌بینی‌شده این امواج پلاسما موسوم به "امواج آلفون" (Alfvén waves) را تأیید کردند.

مرکز خورشید با وجود دمای ۱۵ میلیون درجه سلسیوس، به صورت غیر قابل تصوری داغ است. این در حالی است که دما در سطح خورشید، به ۶۰۰۰ درجه سلسیوس می‌رسد. دکتر "فرانک استفانی" (Frank Stefani)، سرپرست این پژوهش گفت: شگفت‌آورتر این است که دمای چندین میلیون درجه به طور ناگهانی در تاج خورشید بالا می‌رود.

برای استفانی، پدیده گرمای تاج خورشیدی، هنوز یکی از راز‌های بزرگ در فیزیک خورشیدی به شمار می‌رود. این موضوع را می‌توان در قالب یک پرسش ساده مطرح کرد؛ چرا قوری، داغ‌تر از اجاق گاز است؟

این که میادین مغناطیسی، نقش مهمی را در گرم کردن تاج خورشیدی بر عهده دارند، اکنون در فیزیک خورشیدی پذیرفته شده است. در هر حال، این موضوع بحث‌برانگیز باقی می‌ماند که آیا این اثر عمدتا به دلیل تغییر ناگهانی ساختار‌های میدان مغناطیسی در پلاسمای خورشیدی است یا به دلیل تعدیل انواع گوناگون امواج.

بررسی جدید این گروه پژوهشی، بر امواج آلفون متمرکز است که زیر تاج و در پلاسمای داغ جو خورشید که میدان‌های مغناطیسی به آن نفوذ می‌کند، وجود دارند. اثر میدان‌های مغناطیسی بر ذرات یونیزه شده پلاسما، مشابه یک سیم گیتار است که نواختن آن به ایجاد حرکت موج مانندی منجر می‌شود. همان گونه که گام یک سیم با کشش افزایش می‌یابد، فرکانس و سرعت انتشار موج آلفون نیز با توجه به قدرت میدان مغناطیسی بیشتر می‌شود.

استفانی ادامه داد: درست زیر تاج خورشیدی، لایه‌ای موسوم به "سایه‌بان مغناطیسی" (magnetic canopy) قرار دارد که در آن، میدان‌های مغناطیسی تا اندازه زیادی به موازات سطح خورشید قرار دارند. صوت و امواج آلفون در اینجا تقریبا سرعت مشابهی دارند. ما می‌خواستیم دقیقا به این نقطه جادویی برسیم؛ جایی که تبدیل انرژی مغناطیسی پلاسما به گرما، شبیه به یک شوک آغاز می‌شود.

یک آزمایش خطرناک!

اندکی پس از پیش‌بینی امواج آلفون در سال ۱۹۴۲، آن‌ها در نخستین آزمایش‌های فلز مایع شناسایی شدند و سپس در تأسیسات فیزیک پلاسما به طور مفصل مورد بررسی قرار گرفتند. شرایط سایبان مغناطیسی که برای گرمایش تاج خورشیدی بسیار مهم در نظر گرفته می‌شود، تاکنون برای آزمایش‌کنندگان غیرقابل دسترس باقی مانده است. از یک سو، در آزمایشات بزرگ پلاسما، سرعت آلفون معمولا بسیار بیشتر از سرعت صوت است. از سوی دیگر، در همه آزمایشات فلز مایع که تا به امروز انجام شده‌اند، سرعت آلفون به طور قابل توجهی کمتر بوده است. دلیل این امر، قدرت میدان مغناطیسی نسبتا کم سیم‌پیچ‌های ابررسانای معمولی با میدان ثابت حدود ۲۰ تسلا است.

اما در مورد میادین مغناطیسی پالس‌دار مانند آن گروهی که در آزمایشگاه هلمهولتس زنتروم درسدن روسندورف تولید می‌شوند و به حدود ۱۰۰ تسلا می‌رسند، چه می‌توان گفت؟ قدرت این میادین مغناطیسی تقریبا دو میلیون برابر قدرت میدان مغناطیسی زمین است. آیا این میادین مغناطیسی بسیار بالا به امواج آلفون امکان می‌دهند تا از سد صوتی عبور کنند یا خیر. بررسی ویژگی‌های فلزات مایع نشان داد که فلز قلیایی روبیدیوم می‌تواند به یک نقطه جادویی با قدرت حدود ۵۴ تسلا برسد.

دکتر "توماس هرمانسدورفر" (Thomas Herrmannsdörfer)، از پژوهشگران این پروژه گفت: سیستم تامین انرژی ما، ۵۰ مگاژول را در کسری از ثانیه تبدیل می‌کند و شاید به ما امکان دهد تا یک هواپیمای مسافربری را در کسری از ثانیه برای به پرواز درآمدن برنامه‌ریزی کنیم.

پالس از طریق مانع صوتی مغناطیسی

با وجود این، هنوز مانعی برای آزمایش موفقیت‌آمیز وجود داشت. روبیدیوم مذاب به دلیل داشتن فشار ۵۰ برابر فشار هوای جو ایجاد شده در میدان مغناطیسی پالس‌دار، باید در یک ظرف فولادی ضد زنگ محکم محصور می‌شد و یک شیمیدان باتجربه باید آن را پر می‌کرد. با تزریق جریان متناوب به انتهای ظرف و همزمان قرار دادن آن در معرض میدان مغناطیسی، نهایتا امکان تولید امواج آلفون در فلز مذاب فراهم شد و حرکت رو به بالای آن با سرعت مورد انتظار اندازه‌گیری شد.

امواج آلفون تولید شده توسط استفانی و گروهش، برای نخستین بار توانستند دیوار صوتی را بشکنند. اگرچه هنوز نمی‌توان همه اثرات مشاهده شده را به سادگی توضیح داد، اما این پژوهش، جزئیات مهمی را برای حل کردن معمای گرمایش تاج خورشیدی ارائه می‌کند. پژوهشگران در حال برنامه‌ریزی تجزیه و تحلیل عددی دقیق و آزمایش‌های بیشتر برای آینده هستند.

این پژوهش، در مجله "Physical Review Letters" به چاپ رسید.