المصادر الخفية لألسنة اللهب الشمسية

المصادر الخفية لألسنة اللهب الشمسية^(*)

بدأت الأرصاد الحديثة تكشف النقاب عن مسببات
الانفجارات الهائلة في جو الشمس⁽¹⁾.

<D.G.هولمان>

 

تطلق الانفجارات المفاجئة في الغلاف الجوي للشمس طاقة تعادل بلايين القنابل الذرية في غضون بضع دقائق. الدافع لذلك هو إعادة تشكيل مفاجئ للحقول المغنطيسية للشمس التي تتقوس نحو الأعلى منطلقة من سطح الشمس، والتي يمكن اقتفاء أثرها عن طريق الغاز المتوهج الذي تحويه.

في أواخر الشهر 10/2003 وأوائل الشهر 11/2003 شهد العلماء بعض أكبر ألسنة اللهب الشمسية⁽²⁾ التي رُصِدت على الإطلاق. لقد بدت هذه التدفقات  الضخمة للجسيمات المشحونة واضحة من الأرض وبالقرب منها ـ أي على بعد نحو 150 مليون كيلومتر من المصدر. وعلى سبيل المثال، كان وابلُ الجسيمات  الذي وصل إلى الفضاء المجاور للأرض كثيفا، أحيانا، إلى درجة أدت إلى إيقاف مؤقت لكثير من السواتل (الأقمار الصنعية) العلمية وسواتل الاتصالات عن العمل، وأُصيب قليل منها بأضرار دائمة. كذلك فقد تعرض رواد الفضاء على متن المحطة الفضائية الدولية⁽³⁾ للخطر، واضطروا إلى اللجوء إلى وحدة خدمات  المحطة المحصنة جيدا نسبيا. أما قريبا من الأرض، فقد عُدِّلت مسارات الطائرات للابتعاد عن خطوط العرض العالية، حيث يواجه الطيارون في مثل هذه الظروف مشكلات في الاتصالات اللاسلكية، ويتعرض الركاب والملاحون لمستويات عالية مقلقة من الأشعة. هذا وقد روقبت شبكات الكهرباء بعناية تفاديا للأعطال؛ وعلى الرغم من هذه الجهود، حُرمَ خمسون ألفا من سكان جنوب السويد من التيار الكهربائي مُدة وجيزة.

ولحسن الحظ، فإن الحقل المغنطيسي والغلاف الجوي للأرض يحميان معظم الناس، حتى من أسوأ العواصف الشمسية. إلا أن الاعتماد المتزايد للمجتمع على التقانة يجعل الجميع تقريبا عُرضة للمخاطر، بدرجة أو بأخرى. [انظر: «عنف العواصف الفضائية»،العلوم، العددان 2/ 3(2002)، ص 60]. وتأتي أكبر الأضرار احتمالا أثناء انطلاق لسان لهب شمسي كبير من المادة المندفعة بسرعة من الغلاف الجوي الخارجي للشمس. وتُعرف هذه المادة في مصطلحات فيزيائيي الفضاء⁽⁴⁾ بالمقذوفات الإكليلية للمادةcoronal mass ejections. تُرسِلُ بعضُ هذه الانبثاقات كميات هائلة من الغازات المتأينة في مسار تصادمي مع الأرض، كما حدث في أكثر من واحد من ألسنة اللهب الهائلة التي وقعت عام 2003.

ومع سعي العلماء الطويل إلى فهم مسببات هذه الألسنة من اللهب والمقذوفات الإكليلية للمادة المصاحبة لكثير منها، فإن الأرصاد لم تصبح جيدة بالقدر الكافي الذي يمكِّن من كشف تعقيدات هذه الظواهر وتوضيح آليتها الفيزيائية، إلا في العقد الأخير أو قريبا منه. ويرجع الفضل في ذلك إلى التقانات الجديدة التي استُحدثت خلال التسعينات. وقد تبين أن السبب هو حدوث عملية إعادة ترتيب مفاجئة لخطوط الحقل المغنطيسي، وهي ظاهرة تُعرف باسم إعادة الربط reconnection.

 

طقس هاديء ومعتدل بدرجة حرارة مليوني كلکن^(**)

 

على الرغم من تعقيدات طقس الأرض، فإنه ينتج على الأقل من عمليات مألوفة: التسخين الشمسي والفروق في ضغط الهواء والأنماط المتغيرة للرياح، حتى إن غالبية الناس لديها إدراك حدسي، على سبيل المثال، لسبب كون السماء مشرقة في يوما ما وممطرة في اليوم التالي. وفي المقابل فإن ألسنة اللهب الشمسية ومظاهر أخرى «لطقس الفضاء» space weather تتضمن تفاعل كل من الحقول المغنطيسية والغازات الساخنة بدرجة كافية تجعلها في حالة متأينة (أي عندما تُجرد ذرات العناصر من إلكتروناتها). لا يمكن رؤية هذه التفاعلات بطريقة مباشرة، وقد يكون تصورها مخادعا حتى للمتخصصين. وترجع الفكرة الأساسية إلى كيفية إنتاج ألسنة اللهب الشمسية من هذه المتغيرات (أى عملية إعادة الربط المغنطيسي magnetic reconnection) إلى الخمسينات والستينات من القرن العشرين، إلا أن الدلائل الرّصدية المؤيدة لها كانت بطيئة الورود لدرجة أن بعض فيزيائيي الفضاء بدأت تراودهم الشكوك في جدارة النظرية.

 

نظرة إجمالية/ فيزياء ألسنة اللهب(***)    يمكن لألسنة اللهب الشمسية أن تُطلق طاقة تعادل بلايين القنابل الذرية في غضون بضع دقائق. تُصدر هذه الانفجارات دفقات من الأشعة السينية والجسيمات المشحونة، التي قد يصطدم بعضُها لاحقاً بالأرض، معرضا السواتل (الأقمار الصنعية) للخطر، ومسببا انقطاعات في التيار الكهربائي. تزود الحقول المغنطيسية المضطربة للشمس ألسنة اللهب: الوقود اللازم. وينتج الانطلاق المفاجئ للطاقة في لسان للهب من عملية يُطلق عليها اسم إعادة الربطreconnection، حيث تتحد خطوط الحقول المغنطيسية ذات الاتجاهات المتعاكسة ويُفني بعضها بعضا جزئيا. مع أن الدراسات النظرية لإعادة الربط المغنطيسي في الشمس أُجريت منذ عقود، فإن الأدلة الرصدية على هذه الظاهرة لم تتكشف إلا حديثا بوساطة مسابير الفضاء. وتتضمن السمات المميزة للظاهرة عرى مغنطيسية واضحة تقع أسفل البقعة التي تحدث فيها إعادة الربط المغنطيسي.

 

إجمالا، يتفق العلماء على أن الطاقة المحررة أثناء انبثاق لهب شمسي يجب أن تكون مختزنة أولا في الحقل المغنطيسي للشمس. يأتي هذا التكهن من حقيقة أن ألسنة اللهب تثور في أجزاء من الشمس وتسمى بالمناطق النشيطة، حيث الحقل المغنطيسي أقوى بكثير من متوسط شدته. وتُكتشف هذه المناطق بسهولة عن طريق وجود البقع الشمسية sunspots ـ وهي تلك البقع المظلمة التي تؤوي أشد الحقول المغنطيسية على الشمس. وفي هذه المناطق تمتد خطوط قوى الحقل المغنطيسي من سطح الشمس إلى الإكليل⁽⁵⁾، وهي الطبقة الخارجية للغلاف الجوي للشمس، وتتقوس إلى الأعلى في عرى واسعة تحتجز الغاز الساخن ـ وهو ساخن فعلا لأن درجة حرارته تبلغ بضعة ملايين درجة كلکن. هذا القدر من الحرارة عالٍ بالقدر الكافي الذي يجعل الغاز المحتوى يُصدر الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة⁽⁶⁾  والأشعة السينية [انظر: «السِّمة المحيرة للإكليل الشمسي الحار»،العلوم، العددان6/7 (2003)، ص 24]. تنبعث ألسنة اللهب التي تتدفق أحيانا من المناطق النشيطة من هذه السمات المغنطيسية، مسببة ارتفاعا في درجة حرارة الغاز في العُرى أكثر من المعتاد إذ تصل، نموذجيا، إلى ما بين 10 ملايين و 40 مليون درجة كلکن.

 

لسانُ لهب فائق الشدة يثور بالقرب من حافة الشمس في 4/11/2003. لقد غمر وميض أشعته كاشف الإشعاع فوق البنفسجي المتطرف extreme-ultraviolet detector الموجود على متن المرصد Solar and Heliospheric Observatory، مخلفا في الصورة خطا أفقيا زائفا (في اليسار). وكما هي الحال في أحداث مماثلة أخرى، فإن بقعة شمسية (موقع حقول مغنطيسية شديدة جدا) كانت موجودة قريبا من هذا الموضع.

 

أما خارج إطار الارتباط العام بين ألسنة اللهب والحقول المغنطيسية القوية، فقد بقيت صورة تفاصيل جريان الأمور مشوشة مدة طويلة. وعلى سبيل المثال، لم يتضح للفلكيين، إلا تدريجيا، أن عُرى الحقل المغنطيسي والغاز الساخن المتعلقة بألسنة اللهب تختلف إلى حد بعيد عن بُنى شديدة الشبه بها موجودة في أمكنة أخرى داخل المناطق النشيطة. جاءت المؤشرات الأولى لهذا الاختلاف قبل 14 عاما تقريبا عن طريق قياسات أُجريت بوساطة الساتل الياباني يوهكوYohkoh، الذي كان أول مسبارٍ فضائي يلتقط صورا لألسنة اللهب الشمسية في أطوال موجية تمتد إلى الطاقات العالية المعتدلة للأشعة السينية (وهذا أفاد في تحديد مواقع الغاز الشديد الحرارة)، أظهرت قمم الحلقات المغنطيسية لبعض هذه الأحداث طرفا مستدقا⁽⁷⁾ لافتا للنظر أشبه بقوس قُوطي الطراز⁽⁸⁾ منه بقمة دائرية عادية.

وأثناء تفحص صور الساتل يوهكو، اكتشف <S.ماسودا> [الذي كان حينذاك طالب دراسات عليا بجامعة طوكيو] أن منطقة الطرف المستدق للسان لهب حدث عام 1992 أصدرت كميات كبيرة غير اعتيادية من الأشعة السينية ذات الطاقة العالية نسبيا (والطول الموجي القصير). خَلَصَ <ماسودا> إلى أن مصدر هذه الأشعة جيب من الغاز الساخن جدا (نحو 100 مليون كلکن) الذي من المتوقع أن يتوهج بتألق بأطوال موجية قصيرة من الأشعة السينية. وبصورة بديلة، يُمكن لشيء ما تسريع الإلكترونات في هذه المنطقة لتبلغ سرعات فائقة جدا وهذا يؤدي إلى إصدارها أشعة سينية عندما تعترضها أيونات الغاز المحيط بها، مبطئة حركتها فجأة.

إن أيا من هذين الاحتمالين شيء مربك! فإذا كان الغاز حارقا لهذه الدرجة، فكيف أمكن احتجازه في بقعة صغيرة كهذه؟ وإذا جاءت الأشعة السينية من الإلكترونات المسرّعة المصطدمة بالأيونات، فلماذا جاءت الأشعة من مصدر متراص بالقرب من أعلى الحلقة، وليس من أسفلها، حيث كثافة الغاز أعلى ما يمكن؟

 

مشهد ساطع لظاهرة الشفق Auroral الذي أضاء سماء ألاسكا أثناء الليل خلال الشهر 10/2003 نتيجة النشاط المتزايد للشمس. يمكن لسيل الجسيمات المشحونة الصادرة عن الشمس أن يولّد هذه الظاهرة عندما تصل الجسيمات إلى الأرض وتصطدم بالطبقات العليا للغلاف الجوي. وتغادر هذه الجسيماتُ ذات الطاقة العالية الشمس خلال حركتها عبر خطوط قوى الحقل المغنطيسي للشمس.

 

لحل هذه الألغاز طلب فيزيائيو الفضاء قياسات تُمكن من التمييز بين تأثيرات الغاز الساخن والإلكترونات المسرَّعة. ولفهم زمان ومكان حدوث الأنشطة الوثيقة الصلة بهذه التأثيرات، احتاجوا إلى صور متكررة للأشعة الشمسية في نطاق الطاقة الكامل للأشعة السينية وأشعة گاما. وقد أعاق عدم توافر هذه المعلومات الباحثين طوال معظم العقد التالي. لكن في عام 2002، أطلقت الوكالة ناسا مصور راماتي الطيفي للطاقة الشمسية العالية(Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager (RHESSI الذي التقط مشاهد تفصيلية لمنطقة الطرف المستدق في ألسنة لهب شمسية معينة، وبتنفيد ذلك، قدم المصور RHESSI دليلا مقنعا مؤكدا مسؤولية عملية إعادة الربط المغنطيسي عن كل من ألسنة اللهب والمقذوفات الإكليلية.

 

تجاوز الحدود^(****)

 

إن تتبع ما يحدث خلال أحداث إعادة الربط المغنطيسي على وجه الدقة، يتطلب أولا فهما عاما لكيفية احتجاز العرى المغنطيسية غير المرئية للغاز الساخن في الغلاف الجوي للشمس. ومن المفضل أن يُسمى هذا الغاز بالپلازما، نظرا إلى تكوّنه في الأغلب من الإلكترونات والپروتونات المنفصل بعضها عن بعض، وهذا يعني توصيله للكهرباء. لذا يستطيع الحقل الكهربائي أن يدفع هذه الجسيمات بمحاذاته مولدا تيارات كهربائية. وبالمثل، فإن الحقل المغنطيسي يؤثر في هذه الجسيمات المشحونة بقوى تدفعها للتحرك بحركة دورانية حول خطوط الحقل المغنطيسي.

وعلى الرغم من تقييد حركة الإلكترونات والپروتونات في مسارات دائرية حول خطوط الحقل المغنطيسي وفق هذا النمط، فإن باستطاعتها الحركة بحرية نسبيا على طول هذه الخطوط. وإنني أقول «نسبيا» بسبب تعرض الجسيمات المشحونة لقوة إعاقة إذا تحركت على طول خطوط حقل مغنطيسي متقاربة. فعلى سبيل المثال، تتباطأ حركة الجسيم المشحون أثناء هبوطه من أعلى العروة المغنطيسية إلى أسفلها مقتربا من إحدى النقطتين اللتين تسميان نقطتي القاعدة foot points للعروة، حيث تتقارب خطوط الحقل ويصبح الحقل  المغنطيسي أكثر شدة. وفي نهاية المطاف تُوقِف شدة الحقل المتزايدة حركة الإلكترون أو الپروتون، ثم تدفعه مرة أخرى إلى الأعلى. تشبه هذه العملية إلقاء كرة على فرشة. وخلافا للكرة، التي تعطي مؤقتا طاقة حركتها لضغط نوابض الفرشة، فإن الجسيمات المشحونة في الشمس لا تنقل الطاقة إلى الحقل المغنطيسي، بل تتحول طاقة هبوطها نحو الأسفل إلى زيادة في تردد حركتها الدائرية حول خطوط الحقل المغنطيسي. بهذه الطريقة، تعمل نقطتا القاعدة للحلقة المغنطيسية كمرآة تعكس الپروتونات والإلكترونات ذهابا وإيابا فيما يُعد بوجه أساسي، شَرَكًا كبيرا للجسيمات المشحونة.

 

مقومات التوهجات(*****)   تقدّم الحقولُ المغنطيسية المزاحة والپلازما الملتهبة ـ وهي الغاز الذي جُرِّدَتْ ذراته من إلكتروناتها ـ جميع المقومات اللازمة لإحداث لسان للهب (في الأسفل)، على الرغم من أن طريقة عملها سويا لتوليد ألسنة اللهب لم تُفهَم إلا حديثاً [انظر الإطار في الصفحة 35]. تَبْرُز عُرى الغاز المتوهجة عادةً من سطح الشمس، كما يبدو في صورة الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة extremeultraviolet المأخوذة بوساطة مسبار الفضاءTransition Regrionand CoronalExplorer. تتبع الخطوط المضيئة الحقل المغنطيسي المحلي، الذي يتغير بمرور الوقت نتيجة لحركة الپلازما الساخنة بالقرب من السطح المرئي للشمس وتحته، وهذا يسبب إزاحة نقطتي القاعدة footpoints، وهما موضعا تجمع خطوط الحقل على السطح.   تتحرك الجسيمات المشحونة المكونة للپلازما في مسار حلزوني حول خطوط الحقل المغنطيسي، لكنها تتحرك بحرية نسبية على طولها (انظر الشكل في الأسفل). وعندما تقابل هذه الجسيمات حقلا ذا شدة متزايدة (حين تتقارب خطوط الحقل)، تتباطأ حركتها على طول خطوط الحقل، ثم ترتد في الاتجاه المعاكس. تتأرجح الجسيمات ذهابا وإيابا بين نقطتي القاعدة للعروة المغنطيسية نتيجةً لذلك (الخط المنقط يسارا). وقد اشتبه الفيزيائيون، منذ وقت طويل، بأن إعادة تشكيل الحقل المغنطيسي المفاجئة تقوم بتسخين الجسيمات المحتجزة، وهذا يؤدي إلى اندفاعها على هيئة لسان للهب، لكن الأرصاد اللازمة لكشف المزيد من تفاصيل هذه العملية مازالت مرتقبة.

 

ومن المثير للدهشة، أنه يمكن للپلازما نفسها أن تؤثر في خطوط الحقل المغنطيسي التي تملكها. وما يُمكّنها من ذلك، هو أنها نظرا إلى كونها بحرا من الجسيمات المشحونة، فبمقدورها أن تحتوي على تيارات كهربائية تنشأ كلما وُجد فرق في الکلطية لدفعها. في الدارات الكهربائية المألوفة ـ مثل تلك الموجودة في مصباح البطارية ـ تقوم البطارية بتوفير الکلطية (الجهد) الدافعة ولا يوجد شيء مثل البطارية على سطح الشمس، إلا أن الحقل المغنطيسي المتغير يستحث فروقا في الکلطية (طبقا لنفس المباديء الفيزيائية التي يعمل وفقها المولد الكهربائي)، وبذلك تنشأ تيارات كهربائية. وما يجعل الأمور أكثر تعقيدا، هو أن هذه التيارات تولِّد حقولا مغنطيسية جديدة. ويُنتج هذا التأثير، متحدا مع ميل نقاط قاعدة الحلقات المغنطيسية للحركة على غير هدى، تشكيلات رائعة دائمة التغير من الحقول المغنطيسية الشديدة التشوه في الغلاف الجوي للشمس، حاملة قدرا كبيرا من الطاقة المغنطيسية ـ التي هي وقود ألسنة اللهب الشمسية.

ولا يصف هذا الجزء من القصة إلا بعض الفيزياء الأساسية الفاعلة التي فهمها العلماء لعقود عديدة. وتنشأ المشكلة إذا حاولنا أن نشرح بدقة كيفية تحول جميع هذه الطاقة المغنطيسية إلى حرارة وجسيمات مُعجلة (مُسرَّعة) ومادة مقذوفة. ويأتي أحد الاحتمالات ببساطة من اعتبار أي دارة كهربائية بأنها لا تُميز بالتيار المار خلالها والکلطية الدافعة لتدفق الشحنة فحسب، بل أيضا بالمقاومة الكهربائية الكامنة فيها. على سبيل المثال، تقوم أسلاك المصباح الكهربائي بمقاومة التيار الساري خلالها مبددة بذلك الطاقة الكهربائية عن طريق تحويلها إلى ضوء وحرارة. كذلك، يوفر الغلاف الجوي للشمس مقاومة كهربائية لأن الجسيمات المشحونة المكونة للتيارات الكهربائية تصطدم أحيانا بعضها ببعض، وهذا يعيق سريان الشحنات ويرفع درجة حرارة الوسط. ثم إن للکلطية الدافعة للتيار حقلا كهربائيا مصاحبا له، وإذا كان هذا الحقل قويا بالدرجة الكافية، فسوف تُسرَّعُ الإلكترونات والأيونات إلى خارج الپلازما الساخنة. من هنا تأتي الحرارة والجسيمات ذات الطاقة العالية، وهي العناصر الأساسية لألسنة اللهب.

 

تُظهر الحلقات التي تعقب ألسنة اللهب طرفا مستدقا مميزا في قممها. وتعكس هذه الهندسة للغاز المتوهج اضطرابا في الحقل المغنطيسي المحلي. ويمكن لهذا الاضطراب أن يُحْدِث إعادة الربط المغنطيسي المطلوب لتزويد ألسنة اللهب بالطاقة، وفي بعض الأحيان تبقى آثاره مستمرة عدة أيام تالية.

 

لا يصمد جيدا هذا التفسير الأنيق إذا أمعنا النظر فيه، ويرجع أحد أسباب ذلك إلى أن المقاومة الكهربائية لإكليل الشمس ضئيلة جدا بدرجة لا تمكنها من تفسير المعدلات العالية لشدة سطوع ألسنة اللهب الشمسية. وحتى إذا كانت المقاومة أعلى من ذلك، فإن كيفية تركيز القدر المطلوب من الطاقة المغنطيسية في مكان واحد، وتحريرها في بَثْقة مفاجئة، لا تزال صعبة التفسير. وقد خلص الباحثون، قبل عقود، إلى أن توليد کلطية دافعة لتيار وحيد بسيط، لا يمكن أن يرفع درجة حرارة الغلاف الجوي للشمس بالسرعة الكافية، أو يولد دفقا من الجسيمات المسرَّعة كافيا لإحداث لسان من اللهب.

وعلى مر السنين، كان فيزيائيو الفضاء يقدمون أفكارا متنوعة أكثر تعقيدا؛ فربما تنتج ألسنة اللهب من تيارات عديدة مختلفة تتحد معا، أو من حيز يحوي موجات من الپلازما المضطربة والحقول الكهربائية العشوائية المصاحبة لها. ويُمكن لهذه الترتيبات الخاصة أن تُحدث لسانا من اللهب، لكن لا تستطيع هذه الآليات أن تفسر جميع الأرصاد، وخصوصا ميل المقذوفات الإكليلية للمادة إلى أن تكون مصحوبة بألسنة لهب كبيرة. وهناك نظرية يُنتظر لها مستقبل مرموق، وهي لا تتضمن دينامية الحقل الكهربائي فحسب، بل أيضا نظيره المغنطيسي، لذا دعوني أصف فيزياء كل من هذه الحقلين بتفصيل أكبر.

إن لدى الحقول المغنطيسية اتجاها مصاحبا لها، فعلى سبيل المثال، تتجه خطوط القوى حول قضيب من المغنطيس من القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي. وإذا أُحضر حقلان مغنطيسيان متوازيان، لكنْ متعاكسان في الاتجاه، إلى الپلازما فسوف ينشأ تيار كهربائي بينهما متخذا شكل صفيحة مستوية. (اعتاد معظم الناس على الاعتقاد بأن التيار الكهربائي يسري في بُعد واحد ـ على طول سلك كهربائي، مثلا ـ لكن في الشمس، حيث الغلاف الجوي بأكمله موصل للكهرباء، لا يوجد ما يمنع سريان التيار الكهربائي في مستويات ذات بعدين). وبمرور الزمن، يتناقص قدر الطاقة المغنطيسية الذي يحتويه الحقلان المغنطيسيان، وذلك مع قيام المقاومة بتبديد التيار الكهربائي الساري في الصفيحة.

في عام 1956، أدرك الباحث الراحل <A.P.سويت> [الذي كان يعمل حينذاك في مرصد جامعة لندن] أن طاقة الحقل المغنطيسي تتراجع بطريقة أسرع إذا انفصلت خطوط الحقلين المتعاكسين بالاتجاه، ثم التحمت، أو أعيد ارتباطها، مرة أخرى في صفيحة التيار الكهربائي الذي تكوّن بينهما. ويترتب على ذلك إلغاء الحقلين المتقابلين كل منهما الآخر في بثقة من الطاقة، وهذا يشبه تقريبا، فناء المادة والمادة المضادة⁽⁹⁾. عندئذ يمكن للحقلين المغنطيسيين المتجاورين والپلازما المطمورة فيهما أن يسريا في الصفيحة في كلا الاتجاهين. وفي فيزياء هذه الظاهرة يجري لفظ كلٍّ من الحقول المغنطيسية الجديدة، التي نشأت عن التحام خطوط القوى، التي كانت منفصلة سابقا، والپلازما إلى أطراف المستوى. وفي أواخر الخمسينات وأوائل الستينات من القرن السابق قدّم <N.E.پاركر> [من جامعة شيكاگو] نموذجا رياضياتيا يصف هذه العملية التي يُطلَق عليها الآن اسم إعادة الربط المغنطيسي لِ <سويت- پاركر> Sweet-Parker magnetic reconnection.

لا تستطيع عملية إعادة الربط هذه أن تقدم التفسير الكامل لما يحدث أثناء ألسنة اللهب الشمسي، نظرا إلى أن إعادة ترتيب خطوط الحقل المغنطيسي تحدث ببطء شديد لا يسمح لها بتفسير معدلات الطاقة العالية المحرّرة. وفي عام1963، بعد أن أدرك هذا القصور للنموذج الجديد، الباحث الراحل <E.H.بيتشيك> [من معمل أبحاث Avco-Everett بولاية ماساتشوتس] حوّل اهتمامه إلى هذه المشكلة، وتوصّل إلى أنه تحت شروط معينة، فإن عملية إعادة الربط تحدث بسرعة أعلى بكثير من المعدل الذي تقدمه عملية سويت-پاركر. وتُعرف هذه الظاهرة الآن باسم إعادة ربط پيتشيك أو إعادة الربط السريع⁽¹⁰⁾، وهذا يخالف الظاهرة التي وصفها <سويت> و<باكر>، والتي يطلق عليها إعادة الربط البطيء.

 

المشاهدة خير دليل^(******)

 

في كلٍ من إعادة الربط السريع والبطيء، يكون سُمك صفيحة التيار الكهربائي ضئيلا جدا إذ إنه لا يتجاوز بضعة أمتار، وهذا أقل مما يلزم للجيل الحالي من أجهزة القياس عند رصد الشمس. ومع ذلك، تُولّد كلٌّ من العمليتين ظاهرةً مهمة يمكن رصدها، وهي تَكَوُّنُ حقول مغنطيسية في مناطق متمايزة. فهل أظهرتْ صُور مسابير الفضاء الحديثة هذه السمات المميزة؟

 

على الرغم من أن إعادة الربط قد تكون كلّيّة الوجود في الشمس، فإن إيجاد دليل مباشر على وجودها ليس بالأمر الهيّن. وقد قدّمت بعثة RHESSI مساعدة كبيرة في هذا المجال، ففي عام 2003، قامت <L.سو> [التي كانت حينذاك طالبة دراسات عليا في الجامعة الكاثوليكية الأمريكية وتعمل معي في مركز گودارد للطيران الفضائي التابع للوكالة ناسا⁽¹¹⁾]، بتحليل أرصاد المصور RHESSIللسان لهب متوسط الشدة حدث في 15/4/2002. كان لهذا الحدث أهمية خاصة، لأنه أصدر مقذوفا إكليليا للمادة بزاوية مكّنت من مشاهدته بسهولة، إضافة إلى ذلك، كان لسان اللهب على هيئة عروة بسيطة، لذا بدا إلى حد بعيد عاديا جدا. ومع ذلك لاحظت <سو> وجود مصدر متراصٍّ compact source للأشعة السينية الضعيفة يُحلّق فوق العروة المغنطيسية، ويبدو غير متصل بها. كان ذلك مثيرا للفضول، لكنْ للتوثق من حقيقة وجود هذا المصدر المنفصل، قمنا بالحصول على سلسلة من الصور من بداية لسان اللهب إلى نهايته في تسلسلٍ زمنيٍّ استغرق زهاء 10 دقائق.

إحداث عمليات الربط(*******)   إن مصدر طاقة ألسنة اللهب الشمسية هو ظاهرة تسمى إعادة الربط المغنطيسي، تنضمّ فيها خطوط الحقل المغنطيسي للشمس بعضها إلى بعض، ثم تعيد تشكيل نفسها بسرعة. وتستمد أحداث إعادة الطاقة من الحقل المغنطيسي، مستخدمة إياه في تسخين الغلاف الجوي للشمس محلياً، وتسريع الجسيمات المشحونة لبلوغ سرعات عالية. إعادة تشكيل الحقل تحدث إعادة الربط المغنطيسي، عموما، عندما تتقارب سويا خطوط الحقل المغنطيسي المتعاكسة بالاتجاه في الشكل الموضح في اليسار، تتحرك خطوط الحقل المغنطيسي المتجهة إلى الأعلى والأسفل نحو المركز. تتكون عندئذ صفيحة عمودية من التيار الكهربائي (اللون القرنفلي، الذي يُرى هنا من حافته). تندمج خطوط الحقل المغنطيسي المتقابلة داخل هذه الصفيحة للتيار مفنية بعضها بعضًا جزئيا، ومطلقة الطاقة المغنطيسية التي تحتويها. عندئذ تنشأ خطوط حقل جديدة (اللون الأزرق) أعلى وأسفل صفيحة التيار، وتتحرك بسرعة متباعدة عن موقع إعادة الربط. يمكن لعمليات إعادة الربط في الشمس أن تصبح أكثر تعقيداً (في الأسفل). وفي بعض الأحيان، تُعيد هذه العلميات تشكيل سلسلة خطوط الحقل المغنطيسي المتقوسة بعضها خلف بعض، فيما يُعرف بالقناطر الشمسية solar arcades. وعلى سبيل المثال، يمكن لمجموعة من تلك الخطوط أن تنضغط نحو الداخل في آن واحد (في الأسفل يسارا). وإذا استمرت هذه العملية، يمكن أن تؤدي إلى إعادة ربط جماعي، مصدرةً لسان لهب شمسياً، وتاركةً حقلاً مغنطيسيا لولبيّا فوق قنطرة منخفضة من العُرى في الأسفل (في الأسفل يميناً، تُظهر نقاط التقاء الألوان المختلفة مواضع حدوث إعادة الربط). وقد يتمدد الحقل اللولبي والمادة التي بداخله نحو الخارج، مكوِّنين مقذوفاً إكليلياً للمادة. دليلٌ متريِّث تترك أحداث إعادة الربط، عادة، آثاراً تدل عليها. تُظهر الصورة في اليمين، المأخوذة بوساطة مسبار الفضاء TRACE في الشهر9/2000شبكة متداخلة من العرى التي كانت واضحة بعد مرور ساعتين على حدوث لسان لهب شمسيٍّ في ذلك الموضع. وعلى الرغم من أن هيئة الحقل المغنطيسي قبل التوهج غير معروفة، فإن ظهور العرى بالشكل المختلط في هذه الصورة يوحي بأن ثمة عملية إعادة ربط مغنطيسي كبيرة حدثت، يمكن أن تكون قد تركت جزءاً من الحقل المغنطيسي منفصلاً بوضوح عن سطح الشمس.

 

لقد كان حقيقيا فعلا. ظهر المصدر الغامض للأشعة السينية في البداية عند قمة العروة. وعندما بدأ لسان اللهب بإصدار الأشعة السينية ذات الطاقة العالية، تحركت قمة العروة إلى الأسفل في حين ظل المصدر ثابتا. وعندما بلغ لسان اللهب ذروته، حين بلغت الأشعة السينية ذات الطاقة العالية أقصى معدلاتها، تغير فجأة اتجاه حركة العروة إلى الأعلى، وبدأ المصدر الغامض للأشعة السينية بالتحرك إلى الأعلى أيضا، لكنه كان أسرع بكثير. وخلال دقيقتين خَفَتَ مصدرُ الأشعة السينية هذا ثم اختفى. لَمْ يَرَ أحدٌ حدثا مثل هذا من قبل. لقد انطلق مصدر الأشعة السينية، الذي بدا ساكنا في البداية، مبتعدا عن الشمس بسرعة 300 كيلومتر في الثانية، وهي نفس سرعة المقذوف الإكليلي للمادة الذي صاحب لسان اللهب هذا. واشتبهتُ مع <سو> بأننا اكتشفنا أخيرا المصدر الغامض لهذا التحرر الانفجاري للمادة. والأفضل من ذلك هو أن قياسات درجات الحرارة أشارت إلى المصدر الذي أتت منه الطاقة، والذي تبيّن أنه واقع بين ذروة العروة المغنطيسية ومصدر الأشعة السينية المثير للفضول.

واتفق هذا النسق مع ما نتوقع أن نراه إذا أعيد ربط الحقل المغنطيسي أعلى العروة في صفحة موجهة عموديا من التيار الكهربائي. ومن المحتمل، أن يكون كلٌّ من الحقل المغنطيسي للإكليل والپلازما قد تدفّق في صفيحة التيار باتجاه أفقي من كلا الجانبين. وهناك أعيد ربط الحقول المغنطيسية المتعاكسة بالاتجاه، وأُزيح نصف خطوط الحقل الجديد بسرعة إلى الأسفل حيث تراصت على العرى المغنطيسية الموجودة سلفا. وقد تسارع نحو الأعلى النصف الآخر من خطوط الحقل المغنطيسي الذي أعيد ربطهُ مولِّدا عروة مغنطيسية كبيرة ملتوية، انفصلت أجزاء منها عن الشمس. وفي بعض ألسنة اللهب الشمسية على الأقل، لابد لهذه العُرى المغنطيسية الملتوية من أن تصبح مقذوفات إكليلية للمادة. وتقدم إعادة الربط المغنطيسي وسيلة للجزء المركزي من الحلقة (ولفقاعة الپلازما الموجودة فيها) للهروب من الشمس ـ كما تنقطع فجأة الحبالُ المقيِّدةُ لبالون.

وساعد أيضا هذا التصور، الذي نتج من دراستنا لهذا الحدث الذي جرى عام2002، على شرح أرصاد الساتل يوهكو السابقة. فالطرف المستدق، الذي شوهد أعلى عُرى ألسنة اللهب عام 1992، لابد أنه كان موجودا تحت صفيحة غير مرئية من التيار الكهربائي، حيث تتكون خطوط الحقل المغنطيسي التي أُعيد ربطها حديثا، وتتداعى باستمرار على الحقل الواقع أسفلها. كان البريق المتألق للطرف المستوي يحدث بأطوال الأشعة السينية نتيجة للحقن المستمر للپلازما الساخنة والإلكترونات المسرَّعة من صفيحة التيار الكهربائي الواقعة أعلاه، وربما نتيجة لعملية التسخين وتسريع الإلكترونات في العقد ذاته.

لقطات من الأشعة السينية، أُخذت بوساطة بعثة RHESSI تصّورُ لسان اللهب الذي حدث في15/4/2002، والذي كان مصحوباً بمقذوفات إكليلية للمادة. يَظْهَرُ خلال لسان اللهب مصدر للأشعة على شكل انتفاخ أحمر فوق العروة الرئيسية للغاز الساخن (في اليسار) وفوق الحافة المرئية للشمس (الخط الأبيض). ظلّ هذا المصدر ساكناً بضع دقائق، في حين هبطت قمة العروة (في الوسط)، لكنه انطلق بسرعة في الفضاء فيما بعد (في اليمين). يدعم هذا التسلسل فكرة أن إعادة الربط في أعلى العرى المغنطيسية تفسّر ألسنة اللهب والمقذوفات الإكليلية للمادة، لكون هذا النسق متفقاً تماماً مع ما نتوقعه إذا ما عاد ربطُ الحقل المغنطيسي أعلى الحلقة، حيث يسمح لنصف خطوط الحقل الجديدة أن تزاح إلى الأسفل، في حين يتسارع النصف الآخر إلى الأعلى مزوداً المقذوفات الإكليلية للمادة بالطاقة.

 

يبدو أن لدينا الآن تفسيرا لكيفية حدوث بعض ألسنة اللهب الشمسية والمقذوفات الإكليلية للمادة على الأقل، لكن مازال هناك العديد من الأسئلة دون إجابة. وعلى سبيل المثال، ما سبب تسريع الجسيمات في ألسنة اللهب؟ وما الذي يؤدي إلى حدوث إعادة الربط المغنطيسي المفاجئ؟ يأمل فيزيائيو الفضاء إيجاد أجوبة لهذه الأسئلة بسرعة في سياق دراستنا المستمرة لألسنة اللهب باستخدام المصور RHESSI ومراصد شمسية أخرى، بما فيها مسبارا الفضاءSolar B وSTEREO، اللذان سيُطلقان قريبا. وسوف تقوم بعثة NASA Goddard Space Flight Center بإعداد خريطة عالية الدقة للحقول المغنطيسية للشمس، كما ستقوم بعثة STEREO (اختصارا لSolar TErrestrial RElations Observatory) بوضع سفينتين فضائيتين في موقعين يُمكِّنان من التقاط صورٍ ثلاثية الأبعاد للشمس. ويأمل الباحثون أن تقدم هذه المناظر حلا لألغاز هندسة المقذوفات الإكليلية للمادة عند مغادرتها للشمس ومرورها عبر الفضاء الكوكبي interplanetary space.

إن مقدرة العلماء على توقع الطقس العنيف للفضاء سوف تتحسن بلا شك في الأعوام المقبلة ـ وسوف تأتي التحسينات من كلٍّ من فهم أفضل لآليات دفع ألسنة اللهب الشمسية والأدوات المتاحة، التي تتطور باستمرار، والتي تُستعمل لمراقبة الفضاء حول الشمس والأرض. لذا يتوقع الباحثون المعنيّون بدراسة عواصف الفضاء، أن يُحل سريعا كثيرٌ من الألغاز المتبقية. إننا نتطلع إلى الوقت الذي تصبح فيه التنبؤات بطقس الفضاء نشاطا عاديا مماثلا للتنبؤات التي يزودونا بها، روتينيا، خبراء إصدار طقس الأرض.

 

المؤلف

Gordon D. Holman

 

 يجري أبحاثه في مختبر الشمس وفيزياء الفضاء بمركز گودارد لطيران الفضاء التابع للوكالة ناسا، وهو باحث مشارك في بعثة RHESSI. حصل <هولمان> على الدكتوراه في الفيزياء الفلكية من جامعة نورث كارولاينا في تشابل هيل، وتتركّز أبحاثه على تطبيق فيزياء الپلازما plasma physics لشرح الأرصاد الفلكية. ويعمل أيضا مع زملائه في الوكالة ناسا على تبسيط فيزياء الشمس للهواة من خلال موقع الوكالة على الوِب.

 

  مراجع للاستزادة 

 

Magnetic Reconnection. Eric Priest and Terry Forbes. Cambridge University Press, 2000.

 

Evidence for Magnetic Reconnection in Three Homologous Solar Flares Observed by RHESSI. Linhui Sui, Gordon D. Holman and Brian R. Dennis in Astrophysical Journal, Vol. 612, pages 546-556; September 1, 2004.

 

Multiwavelength Analysis of a Solar Flare on 2002 April 15. Linhui Sui, Gordn D. Holman, Stephen M. White and Jie Zhang in Astrophysical Journal, Vol. 633, pages 1175-1186; November 10, 2005.

 

General information about solar flares can be found at http://hesperia.gsfc.nasa.gov/sftheory/

 

Information about the Ramaty  Hight Energy Solar Spectroscopic Imager can be found at http://hesperic.gsfc.nasa.gov/hessi/

 

(*) THE MYSTERIOUS ORIGINS OF SOLAR FLARES

(**) Fair and Mild, Highs of Two Million

(***) Overview / Physics of Flares

(****) Crossing the Lines

(*****) Flare Fodder

(******) Seeing is Believing

(******) Making Connections

 

(1) atmosphere جو أو غلاف جوي.

(2) solar flares

(3) International Space Station

(4) space physicists

(5)corona

(6) ExtremeUltraviolet Radiation

(7) cusp

(8) Gothic arch

(9) matter-antimatter annihitlation

(10) Petschek or fast reconnection

(11) NASA Goddard Space Flight Center