فكر يوهانس كبلر أنه رسم مدار عطارد يتحرك عبر الشمس. ما قام بتوثيقه في الواقع حل لغز شمسي

رسم عالم الفلك الألماني يوهانس كبلر رسومات للبقع الشمسية في عام 1607 من ملاحظاته لسطح الشمس - وبعد قرون من الزمن، تساعد هذه الرسومات الرائدة العلماء في حل لغز شمسي.

على الرغم من أن كل شيء في النظام الشمسي يدور حول الشمس، إلا أن العلماء لم يتمكنوا بعد من كشف الكثير من أسرار النجم.

ومع ذلك، فإن دراسة تقلب الشمس على مر الزمن، بما في ذلك الدورة الشمسية، يمكن أن تجيب على بعض الأسئلة التي طال أمدها حول الجرم الناري وكيفية تغيره.

وتدور بعض هذه الأسئلة حول النشاط الشمسي في القرن السابع عشر، والذي كان فترة محورية لدراسة الشمس.

رصد علماء الفلك البقع الشمسية بالتلسكوبات لأول مرة في عام 1610. وفي الوقت نفسه، كانت الشمس تمر بمرحلة انتقال غير معتادة إلى فترة طويلة من النشاط الضعيف. ويمكن لرسومات كبلر التي تم تجاهلها لفترة طويلة، والتي تم تجاهلها لفترة طويلة لأنها كانت رسومات وليست ملاحظات تلسكوبية، أن تقدم رؤى تاريخية حاسمة.

وقد ظهرت دراسة جديدة تعيد خلق الظروف التي قام خلالها كبلر برسم رسوماته في 25 يوليو في مجلة الفيزياء الفلكية.

قال المؤلف الرئيسي للدراسة هيساشي هاياكاوا، الأستاذ المساعد في معهد أبحاث البيئة الفضائية الأرضية التابع لجامعة ناغويا، في بيان: "ساهم كبلر في العديد من المعايير التاريخية في علم الفلك والفيزياء في القرن السابع عشر، تاركاً إرثه حتى في عصر الفضاء".

"نضيف هنا إلى ذلك من خلال إظهار أن سجلات كبلر للبقع الشمسية تسبق سجلات البقع الشمسية التلسكوبية الموجودة منذ عام 1610 بعدة سنوات. وتشكل رسوماته للبقع الشمسية شهادة على فطنته العلمية ومثابرته في مواجهة القيود التكنولوجية."

تمر الشمس بدورة مدتها 11 عاماً من النشاط الصاعد والهابط، والمعروفة باسم الدورة الشمسية. ويعتقد العلماء حاليًا أن الشمس تصل أو تقترب من الذروة الشمسية، وهي الذروة السنوية لنشاطها في الدورة الشمسية الحالية، التي تسمى الدورة الشمسية 25.

ويرتبط الحد الأقصى الشمسي عادةً بزيادة في عدد البقع الشمسية المرئية على سطح الشمس. هذه المناطق المظلمة، التي يمكن أن يصل حجم بعضها إلى حجم الأرض أو أكبر، مدفوعة بالمجالات المغناطيسية القوية والمتغيرة باستمرار.

واليوم، يتتبع العلماء النشاط الشمسي باستخدام بيانات من المراصد الأرضية والفضائية، والخرائط المغناطيسية لسطح الشمس، وعمليات الرصد بالأشعة فوق البنفسجية للغلاف الجوي الخارجي للشمس.

لكن مجرد محاولة رصد الشمس كان أمراً صعباً منذ قرون مضت.

قال مارك ميش، عالم الأبحاث في مركز التنبؤ بالطقس الفضائي التابع للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي في بولدر بولاية كولورادو، إن البقع الشمسية كانت تُرصد بالعين المجردة من خلال الضباب أو دخان حرائق الغابات، أو قرب شروق الشمس أو غروبها عندما يساعد الغلاف الجوي على تعتيم سطوع الشمس. لم يشارك ميش في البحث الجديد.

استخدم كبلر جهازاً يسمى الكاميرا المظلمة، والذي استخدم ثقباً صغيراً في جدار الجهاز لعرض صورة الشمس على ورقة ورسم الملامح التي رصدها. اعتقد كبلر خطأً أنه التقط صورة عطارد وهو يتحرك في مدار حول الشمس في مايو 1607، لكنه تراجع عن تقريره بعد 11 عاماً وقرر أنه رصد مجموعة بقع شمسية.

وقال هاياكاوا: "نظرًا لأن هذا السجل لم يكن رصدًا تلسكوبيًا، فقد تمت مناقشته فقط في سياق تاريخ العلم ولم يُستخدم في التحليلات الكمية للدورات الشمسية في القرن السابع عشر".

"لكن هذا هو أقدم رسم للبقع الشمسية على الإطلاق من خلال رصد آلي وإسقاط. لقد أدركنا أن رسم البقعة الشمسية هذا يجب أن يكون قادراً على إخبارنا بموقع البقعة الشمسية والإشارة إلى مرحلة الدورة الشمسية في عام 1607 طالما تمكنا من تحديد نقطة الرصد والوقت وإعادة بناء ميل الإحداثيات الهيليوغرافية - أي مواقع المعالم على سطح الشمس - في تلك المرحلة الزمنية."

الحد الأدنى الشمسي الكبير

البقع الشمسية ليست الطريقة الوحيدة التي يمكن للعلماء من خلالها فهم التغيرات في الشمس. وقال ميش إن التغيرات داخل المجال المغناطيسي للشمس تنظم حركة الجسيمات عالية الطاقة، التي تسمى الأشعة الكونية، عبر الفضاء.

عندما تضرب الأشعة الكونية الغلاف الجوي للأرض، يمكنها تغيير كيمياء الغلاف الجوي، بما في ذلك توازن الكربون.

وقال ميش: "بمرور الوقت، يندمج هذا الكربون في النباتات والحيوانات، وحتى في أنفسنا". "توفر حلقات الأشجار فرصة فريدة لتتبع التغير في الكربون من سنة إلى أخرى. ويمكن تتبع بعض الحلقات في الأشجار القديمة لآلاف السنين. وبالمثل، يمكن تتبع نظائر الكربون والعناصر الأخرى من خلال فقاعات الهواء المحتبسة في قلب الجليد الجليدي."

وقد استُخدمت نظائر الكربون المحتجزة في حلقات الأشجار ولب الجليد في وضع سياق أرصاد البقع الشمسية القديمة وتوسيع فهمنا للنشاط الشمسي قبل حدوث أرصاد البقع الشمسية، كما قال ميش.

وقد استُخدمت هذه البيانات لمساعدة علماء الفلك على فهم الحد الأدنى لماوندر، وهي فترة من الدورات الشمسية الضعيفة للغاية وغير الطبيعية بين عامي 1645 و1715. خلال هذا ما يسمى بالحد الأدنى الشمسي الكبير، اختفت البقع الشمسية تقريباً، ولم تظهر البقع الشمسية القليلة التي تم رصدها إلا في نصف الكرة الأرضية الشمسي الجنوبي. لا يزال علماء الفلك يناقشون آلية الحد الأدنى الشمسي الكبير حتى يومنا هذا، خاصةً وهم يحاولون معرفة متى يمكن أن يحدث في القرون المقبلة وما إذا كان يمكن أن يحدث في القرون المقبلة.

لكن علماء الفلك يتفقون على أن نمط النشاط الشمسي تحول من الدورات المنتظمة إلى الحد الأدنى الكبير تدريجياً.

وقد أشار تحليل سابق لحلقات الأشجار إلى أن الدورة الشمسية القصيرة، وهي الدورة الشمسية الصغرى 14، كانت مدتها خمس سنوات فقط وأدت إلى دورة شمسية طويلة للغاية مدتها 16 سنة، والمعروفة باسم الدورة الشمسية الصغرى 13.

قال هاياكاوا: "إذا كان هذا صحيحًا، فسيكون هذا أمرًا مثيرًا للاهتمام بالفعل". "ومع ذلك، أشارت عملية إعادة بناء أخرى قائمة على حلقات الأشجار إلى سلسلة من الدورات الشمسية ذات الفترات العادية (11 سنة). إذن، بأي إعادة بناء يجب أن نثق؟ من المهم للغاية التحقق من عمليات إعادة البناء هذه مع سجلات مستقلة - ويفضل أن تكون سجلات رصدية."

لذا، لجأ إلى رسومات كبلر.

قام هاياكاوا وزملاؤه بترجمة تقرير كبلر الأصلي، المكتوب باللغة اللاتينية، لفهم الاتجاه الدقيق لرسوماته التخطيطية للبقع الشمسية، بالإضافة إلى تضييق النطاق الزمني والمواقع التي قام كبلر خلالها بالرصد.

ثم زار هاياكاوا بعد ذلك مواقع في براغ، بما في ذلك مقر إقامة كبلر في التاج الفرنسي وورشة ميكانيكي البلاط جوستوس بورجي، لفهم التضاريس بشكل أفضل من حيث رأى كبلر البقع الشمسية.

مكنت أدوات البيانات الحديثة هاياكاوا وزملاءه من حساب ميل البقعة الشمسية وتحديد موقعها على الشمس. كما طبقوا أيضاً قانون سبورر، الذي لاحظه لأول مرة عالم الفلك الإنجليزي الهاوي ريتشارد كريستوفر كارينغتون ولكن طوره عالم الفلك الألماني غوستاف سبورر الذي وصف هجرة البقع الشمسية من خطوط العرض العليا إلى خطوط العرض السفلى خلال الدورة الشمسية.

وحدد فريق البحث أن مجموعة البقع الشمسية التي رصدها كبلر تنتمي إلى نهاية الدورة الشمسية ناقص 14 بدلاً من بداية الدورة الشمسية ناقص 13.

وتدعم هذه النتائج فكرة أن الدورة الشمسية ناقص 13 كانت مدتها المنتظمة 11 سنة بدلاً من 16 سنة. كما تمكن الباحثون أيضاً من تقدير أن الدورة الشمسية ناقص 13 بدأت على الأرجح بين عامي 1607 و1610.

وقال المؤلف المشارك في الدراسة توماس تيج، وهو مراقب في مركز تحليل بيانات التأثيرات الشمسية في المرصد الملكي البلجيكي، في بيان: "هذا يدل على انتقال نموذجي من الدورة الشمسية السابقة إلى الدورة التالية، وفقاً لقانون سبورر".

وقال هاياكاوا إنه بالنظر إلى أن أطول دورة شمسية تم تسجيلها على الإطلاق خلال القرون الثلاثة الماضية استمرت لمدة 14 عاماً، فقد حان الوقت لإيجاد مقدمة علمية أخرى لدورة ماوندر الدنيا.

إرث كبلر الدائم

قالت سابرينا بيشيت، الباحثة المشاركة في الدراسة والباحثة في المرصد الملكي البلجيكي، إنه لا يزال هناك الكثير لنتعلمه من شخصيات تاريخية مثل كيبلر.

"قالت بيشيت: "كما أخبرني أحد زملائي، من الرائع أن نرى سجلات إرث الشخصيات التاريخية تنقل آثاراً علمية مهمة للعلماء المعاصرين حتى بعد مرور قرون. "في حالة كبلر، نحن نقف على أكتاف عملاق علمي."

قال هاياكاوا إن رسومات كبلر تساعد في إثراء المناقشات الجارية حول الدورات الشمسية التي أدت إلى الحد الأدنى لماوندر، والتي يمكن أن تساعد أيضًا علماء الفلك في نمذجة الظروف التي سبقت الحدث.

وقال: "من خلال وضع نتائج كبلر ضمن عمليات إعادة بناء النشاط الشمسي الأوسع نطاقاً، يكتسب العلماء سياقاً حاسماً لتفسير التغيرات في السلوك الشمسي في هذه الفترة المحورية التي تمثل الانتقال من الدورات الشمسية المنتظمة إلى الحد الأدنى الشمسي الكبير".

و وصف ميش الدراسة الجديدة بأنها "عمل مثير للإعجاب" ومثال على العمل التحقيقي الذي يستخرج رؤى جديدة من السجلات التاريخية.

"إن التاريخ الطويل لرصد البقع الشمسية يوفر رابطًا عبر العصور لأجيال من علماء الفلك الذين نظروا إلى الشمس بإجلال وفضول تطور من الخرافات إلى التدقيق العلمي إلى الفهم. ومن الملهم أن نرى أن علماء الفلك في الماضي يواصلون المساهمة في الاكتشافات العلمية. وجهودهم الآن أكثر أهمية مما كان يمكن أن يتخيلوه، حيث أصبح مجتمعنا التكنولوجي أكثر عرضة للتأثر بالصبح والذبول الأبدي للنشاط الشمسي."