תמונות של השמש במשך 10 שנים חושפות כיצד פעילותו של הכוכב עולה ויורדת עם הזמן. קרדיט: משימת Yohkoh של ISAS, יפן, ונאס"א, ארצות הברית
מחקר חדש מצביע על כך שהדינמו הסולארי, האחראי על מחזורי השמש וכתמי השמש, מתחיל בשכבות החיצוניות של השמש. זה מאתגר תיאוריות ישנות יותר ממקור עמוק יותר ומציע תובנות לגבי הדפוסים הצפויים של פעילות השמש.
צוות של מדעני שמש חשף את המקורות האפשריים של המנוע שמניע חלק גדול מהטבע ההפכפך של השמש – יוצר את כתמי השמש הנעים כמו ענני סערה על פני השטח וגורמים לרמות הפעילות של השמש לעלות ולרדת במהלך מחזורים של 11 שנים.
הסוד מאחורי המנוע הזה, המכונה גם "דינמו השמש", עשוי להיות בין "הבעיות הבלתי פתורות של הפיזיקה" העתיקות ביותר, אמר בנג'מין בראון, פיזיקאי שמש ב-CU בולדר.
תובנות חדשות לגבי התנהגות סולארית
במחקר פורץ הדרך שלהם, בראון ועמיתיו השתמשו במשוואות מתמטיות כדי לדמות את התנהגות השמש, בטענה שהדינמו עשוי להתחיל בשכבות החיצוניות ביותר של הכוכב – לא עמוק בפנים שלו כפי שמדענים רבים האמינו במשך עשרות שנים.
זה מרדף שבמובנים רבים התחיל עם האסטרונום המפורסם גלילאו גליליי בשנת 1612 לספירה
איור זה מציג תיאור של השדות המגנטיים של השמש מעל תמונה שצולמה על ידי מצפה הכוכבים הדינמי של השמש של נאס"א. השכבה המורכבת של קווים יכולה ללמד מדענים על הדרכים שבהן המגנטיות של השמש משתנה בתגובה לתנועה המתמדת על השמש ובתוכה. קרדיט: NASA/SDO/AIA/LMSAL
"גלילאו צפה לראשונה בכתמי השמש לפני 400 שנה, והוא למד עליהם לא מעט, כולל איך הם נעים על פני השמש", אמר בראון, מחבר שותף למחקר ופרופסור חבר במחלקה למדעי האסטרופיזיקה והפלנטריה. . "אבל הוא לא הצליח להבין מאיפה הם באו. מאז נאבקנו בשאלה".
הקשר היסטורי וממצאים עדכניים
צוות החוקרים, בראשותו של ג'פרי ואסיל מאוניברסיטת אדינבורו בבריטניה, פרסם לאחרונה את ממצאיו בכתב העת טֶבַע. מחברי המחקר כללו את קית' ג'וליאן, מתמטיקאי יישומי מ-CU בולדר שמת באפריל לאחר מחלה קצרה.
הממצאים תלויים בדינמו, המונח לפיזיקה והכימיה המורכבות בשמש המייצרות את השדות המגנטיים הפראיים שלה. כדור הארץ מתהדר בדינמו משלו שמפעיל את השדה המגנטי של כוכב הלכת – הסיבה לכך שכל המצפנים על הקרקע מצביעים צפונה.
ציור של כתם שמש מאת ג'ון מווסטר בשנת 1128 לספירה
פעולתה הפנימית של השמש חשובה מאוד לאנשים, אמר בראון. הדינמו של השמש מייצר סופות שמש שבין היתר מהוות סיכונים לרשתות החשמל האנושיות. סערות כאלה גרמו גם לאזור הזוהר שהופיעו בשמיים מעל ארצות הברית בתחילת החודש.
עבור החוקרים, המחקר מייצג הישג של עשרות שנים בהתהוות.
"ג'וף וסיל ואני חשבנו על הרעיונות האלה מאז ששנינו היינו סטודנטים לתואר שני ב-CU Boulder לפני 20 שנה", אמר בראון.
דינמו סולארי: צפוי אך כאוטי
באופן כללי, מדענים מסכימים שהדינמו הסולארי מתחיל ב"אזור ההסעה" של השמש, או בערך בשליש החיצוני מבפנים שלה. שם, פלומות של חלקיקים חמים וטעונים, הידועים בשם פְּלַסמָהלטפס לעבר פני השטח.
בעוד שהשדה המגנטי של כדור הארץ אחיד ברובו, תנועת הפלזמה בכל אזור ההסעה של השמש מתעוותת ומעוותת את קווי השדה המגנטי שלה לתבנית שנראית כמו קערת אטריות.
קית' ג'וליאן. אַשׁרַאי:
למרות הכאוס הזה, הדינמו הסולארי מניע התנהגות הניתנת לחיזוי באופן מפתיע, אמר בראון. כל 11 שנים לערך, השמש עוברת מתקופה של פעילות נמוכה, שבה כתמי שמש צצים בתדירות נמוכה יותר, לתקופה של פעילות תזזיתית, שבה כתמי שמש בשפע – ואז היא מתהפכת ומתחילה מחדש. כרגע, פעילות השמש נמצאת בצד התזזיתי.
"אפשר למעשה להגדיר לוח שנה לדינמו השמש", אמר. "איך זה כל כך פרוע אבל גם כל כך מסודר?"
רקדניות ספינינג
כדי לגלות זאת, החוקרים צריכים קודם כל לדעת היכן בדיוק בשמש מתחיל הדינמו. בשנות ה-90, מדענים הציעו שהדינמו הגיח בערך 130,000 מייל מתחת לפני השמש – תיאוריה שכונתה "דינמו בעומק".
אולם הרעיון הזה מתקשה להסביר את הסדר העולה מהכאוס של השמש. במקום זאת, וסיל, בראון ועמיתיהם פנו לתופעה בפיזיקה שנקראת "אי-יציבות מגנטות-סיבובית". זהו מעין חוסר איזון שנוצר בכל פעם ששדות מגנטיים מקיימים אינטראקציה עם פלזמות מסתובבות שבהן הזרימות הללו נעות מהר יותר ככל שאתה מעמיק.
"זה בערך כמו שותפי ריקוד שמטילים זה את זה בסיבוב תוך שהם אוחזים בזרועות," אמר בראון.
חוקרים בחנו זה מכבר כיצד תופעה זו מתעוררת בדסקיות של גזים חמים המקיפים חורים שחורים. תפקידו בשמש פחות ברור.
במחקר הנוכחי, וסיל, בראון ועמיתיהם הריצו סדרה של חישובים במחשבים כדי לחקור כיצד חוסר יציבות כזו יכולה להשפיע על פעילות השמש. הם גילו שהתהליך יכול בקלות להרים את פנים השמש כדי ליצור את הדינמו הסולארי ולהסביר כיצד מתחילים מחזורי 11 השנים. הפיזיקה הזו תתקיים גם ב-10% החיצוניים של השמש, או במרחק זעום של 20,000 מייל מפני השטח. הדינמו הסולארי, במילים אחרות, עשוי להיות חזק, אבל הוא גם קצת בצד הרדוד.
כיוונים עתידיים ומורשת
לחוקרים יש עבודה רבה לפני שהם יכולים להפיל את הדינמו במלואו בתיאוריה העמוקה. אבל בראון מקווה שהמחקר יוכל להפוך לדינמו משלו – וליצור גל של מחקרים חדשים בתחום.
ואסיל הוסיף כי העבודה היא עדות לעמיתו ולחברו, ג'וליאן.
כדוקטורנט ב-CU Boulder, "היועצים והמנטורים שלי היו ניק ברומל, ג'ורי טומר וקית' ג'וליאן", אמר וסיל. "אני זוכר לראשונה שהיה לי רגע 'אה, זה מצחיק' על השמש של חוסר היציבות הקרובה לפני השטח בוקר אחד בשנת 2004 תוך כדי דפדוף בספר לימוד אסטרופיזיקה. קית' היה האדם הראשון שממש רצתי לספר על זה. הוא היה חבר כל כך פנטסטי כל השנים האלה. הוא תמך ברעיונות ונתן עידוד לדור של חוקרים צעירים נמרצים, כמו שהייתי אז. זה מדהים שהוא לא יהיה כאן יותר. אבל הוא היה נרגש שהעבודה הזו קרתה והייתה אמורה להתפרסם ב-Nature. השער הכסוף הוא שהרעיונות והאישיות שלו יחיו במספר המדהים של אנשים שהוא נתן השראה במהלך השנים".
למידע נוסף על מחקר זה:
- אסטרופיזיקאים חושבים מחדש על שדות מגנטיים סולאריים
- מחשב העל של נאס"א פותר פאזל סולארי מגנטי בן 400 שנה
