تصاویر خورشیدگرفتگی: حفره تاجی و حلقه‌های دودی در تاج خورشید

نگاهی تازه به جو بیرونی خورشید

در دوازدهم اوت ۲۰۲۶، سایه ماه نواری باریک بر سطح زمین کشید و در مسیر خود از اسپانیا تا ایسلند، آسمان را برای چند دقیقه تاریک کرد. گروهی از پژوهشگران پروژه «شرپاهای باد خورشیدی» (Solar Wind Sherpas) که دانشگاه هاوایی آن را هماهنگ می‌کند، از دامنه‌های کوه پیکو تریگاسا (Pico Trigaza) در اسپانیا از این فرصت کوتاه برای ثبت دقیق‌ترین تصاویر تاریخ از تاج خورشید (solar corona) استفاده کردند. نتیجه، مجموعه‌ای از عکس‌هاست که دو ساختار کم‌نظیر را آشکار می‌کند: یک حفره تاجی (coronal hole) بزرگ و گردابه‌هایی که پژوهشگران به آنها «حلقه‌های دودی» (smoke rings) می‌گویند.

تاج خورشید چیست و چرا دیدنش دشوار است

سطح مرئی خورشید، یعنی شیدسپهر (photosphere)، دمایی نزدیک به ۵۸۰۰ درجه سلسیوس دارد. اما تاج، بیرونی‌ترین لایه جو خورشید، بسیار داغ‌تر است و دمای آن به یک تا سه میلیون درجه می‌رسد. این تناقض که لایه بیرونی از سطح زیرین داغ‌تر باشد، یکی از پرسش‌های کهن فیزیک خورشیدی است.

با وجود این دمای بالا، تاج بسیار رقیق است و درخشندگی آن تنها حدود یک میلیونیم درخشندگی شیدسپهر است. به همین دلیل دیدن آن با چشم غیرمسلح تنها در لحظه‌های خورشیدگرفتگی کامل ممکن است. رصدخانه‌های مداری و تلسکوپ‌های زمینی برای این کار از ابزاری به نام تاج‌نگار (coronagraph) استفاده می‌کنند؛ سامانه‌ای که یک قرص مسدودکننده (occulter) درون تلسکوپ، قرص روشن خورشید را می‌پوشاند تا نور آن تصویر تاج را از بین نبرد.

مشکل اینجاست که این قرص باید بزرگ‌تر از خود قرص خورشید باشد تا پراش نور در لبه‌ها، تصویر را آلوده نکند. در نتیجه، بخش درونی تاج پشت قرص پنهان می‌ماند. در یک خورشیدگرفتگی کامل، ماه با فاصله‌ای بسیار بیشتر از یک قرص مصنوعی، قرص خورشید را می‌پوشاند؛ همین ویژگی، خورشیدگرفتگی را به آزمایشگاه طبیعی منحصربه‌فردی برای مطالعه ناحیه درونی تاج تبدیل می‌کند.

حفره تاجی: پنجره‌ای در میدان مغناطیسی خورشید

خطوط میدان مغناطیسی خورشید در بیشتر نواحی به شکل حلقه‌هایی هستند که از سطح بیرون می‌آیند و به سطح بازمی‌گردند. پلاسمای باردار در دام این حلقه‌ها گرفتار می‌شود. اما در برخی نواحی، خطوط میدان به جای بازگشت، مستقیم به بیرون و در فضای میان‌سیاره‌ای کشیده می‌شوند. در چنین جاهایی، پلاسما آزادانه‌تر می‌تواند فرار کند و حفره تاجی شکل می‌گیرد.

حفره‌های تاجی سردتر و کم‌چگال‌تر از نواحی اطراف‌اند و به همین دلیل در تصاویر فرابنفش شدید و پرتو ایکس، تیره‌تر دیده می‌شوند. باد خورشیدی از این حفره‌ها با سرعت بسیار بالا، تا ۸۰۰ کیلومتر بر ثانیه (حدود ۵۰۰ مایل بر ثانیه)، به فضا می‌ریزد. این ساختارها می‌توانند هفته‌ها یا حتی ماه‌ها پایدار بمانند و به همین دلیل برای پیش‌بینی وضعیت فضا اهمیت زیادی دارند.

حلقه‌های دودی: گردابه‌هایی در پلاسمای تاج

نام این ساختارها از شباهت آنها به حلقه‌های دودی برخاسته است که افراد سیگاری با دهان می‌سازند. این گردابه‌ها نخستین بار در عکس‌های خورشیدگرفتگی سال ۲۰۰۸ شناسایی شدند، اما سال‌ها توضیح روشنی برای چگونگی شکل‌گیری‌شان وجود نداشت. اکنون پژوهشگران می‌دانند که آنها نتیجه اختلاف دما در پلاسمای تاج هستند و در امتداد خطوط میدان مغناطیسی، تا اعماق فضای میان‌سیاره‌ای گسترش می‌یابند.

میلوسلاو دروکمولر (Miloslav Druckmüller)، استاد ریاضیات دانشگاه فناوری برنو در جمهوری چک که پردازش تصویری این پروژه را سرپرستی می‌کند، می‌گوید: «امسال توانستیم این حلقه‌ها را به‌خوبی ثبت کنیم. آنها گردابه‌هایی زیبا و پیچیده‌اند و تعدادشان در تاج بسیار زیاد است.»

برای درک چگونگی شکل‌گیری این گردابه‌ها می‌توان به شاره‌ها (fluids) اندیشید. وقتی دو ناحیه از یک شاره دما یا چگالی متفاوتی داشته باشند، در مرز میان آنها ناپایداری پدید می‌آید و لایه‌های شاره به دور یکدیگر می‌پیچند و حلقه‌ای چرخان می‌سازند. همین سازوکار در جو زمین نیز دیده می‌شود؛ وقتی هوای گرم از سطح زمین بالا می‌رود و در لایه‌های سردتر فشرده می‌شود، گردابه‌هایی تشکیل می‌شود که گاه به شکل ابرهای حلقوی ظاهر می‌شوند.

پیوند با زمین: باد خورشیدی و هوا-فضا

باد خورشیدی جریان پیوسته‌ای از الکترون‌ها، پروتون‌ها و یون‌های سبک است که از تاج به بیرون جاری می‌شود. وقتی این جریان به زمین می‌رسد، با مغناطیس‌سپهر (magnetosphere) برهم‌کنش می‌کند. برهم‌کنش‌های شدید می‌توانند شفق قطبی را زیبا و گسترده کنند، اما در همان حال می‌توانند به ماهواره‌ها آسیب بزنند، ارتباطات رادیویی را مختل کنند، مسیر پروازهای قطبی را تغییر دهند و در موارد نادر، شبکه‌های برق‌رسانی را دچار اختلال کنند.

به همین دلیل، جامعه علمی به شاخه‌ای به نام هوا-فضا (space weather) توجه جدی دارد. پیش‌بینی درست این پدیده‌ها بدون شناخت دقیق ساختار تاج و نحوه پرتاب باد خورشیدی ممکن نیست. حفره‌های تاجی در واقع یکی از سرچشمه‌های اصلی باد سریع خورشیدی‌اند؛ اگر بتوانیم شکل، اندازه و جای آنها را دقیق رصد کنیم، می‌توانیم چند روز پیش از رسیدن جریان به زمین، هشدارهای بهتری صادر کنیم.

چگونه این تصاویر ساخته می‌شوند

ثبت چنین تصاویری کار ساده‌ای نیست. نور تاج در چند دقیقه خورشیدگرفتگی کامل، در حالی که زمین می‌چرخد و هوا متلاطم است، باید با چندین زمان نوردهی متفاوت ثبت شود تا هم جزئیات نواحی روشن و هم ساختارهای بسیار کم‌نور دیده شوند. سپس صدها تصویر با روش‌های ریاضی پردازش تصویر روی هم سوار می‌شوند، حرکت جو زمین تصحیح می‌شود و نوفه (noise) کاهش می‌یابد تا ساختارهای ظریفی مانند حلقه‌های دودی قابل مشاهده شوند. درست همین مرحله پردازش است که تفاوت میان یک عکس زیبا و یک داده علمی معتبر را می‌سازد.

چرا این مشاهده اهمیت دارد

تاج خورشید نزدیک‌ترین آزمایشگاه طبیعی برای مطالعه پلاسما (plasma) در اختیار ماست؛ محیطی که در آن ماده به حالت چهارم خود می‌رسد و رفتار آن با قوانین مغناطیس‌هیدرودینامیک توصیف می‌شود. هر جزئیاتی که درباره حفره‌های تاجی و گردابه‌های پلاسمایی به دست می‌آوریم، هم به حل مسئله گرمایش تاج کمک می‌کند و هم به فهم منشأ باد خورشیدی می‌افزاید.

از سوی دیگر، مأموریت‌های فضایی که در سال‌های اخیر به سوی خورشید فرستاده شده‌اند، اطلاعات ارزشمندی از نزدیک گردآوری کرده‌اند، اما هیچ‌کدام نمی‌توانند ناحیه درونی تاج را با کیفیتی که در لحظه خورشیدگرفتگی کامل به دست می‌آید، تصویربرداری کنند. به همین دلیل، ترکیب داده‌های کاوشگرهای فضایی با تصاویر خورشیدگرفتگی، به تصویری کامل‌تر از خورشید منتهی می‌شود.

نتیجه‌گیری

تصاویر تازه، خورشید را نه به شکل قرصی آرام و یکنواخت، بلکه به صورت سامانه‌ای پویا و پرتلاطم نشان می‌دهند که در آن ساختارهای مغناطیسی دائماً در حال دگرگونی‌اند. حفره تاجی و حلقه‌های دودی، دو نمونه از همین پویایی‌اند؛ یکی راه فرار باد خورشیدی را می‌گشاید و دیگری نشان می‌دهد پلاسمای تاج چگونه در مسیر خود می‌پیچد و گردابه می‌سازد. خورشیدگرفتگی کامل، هر بار که رخ می‌دهد، تنها یک نمایش آسمانی نیست؛ فرصتی کمیاب برای رصد کردن بخشی از خورشید است که در حالت عادی از چشم ما پنهان می‌ماند.