توليد مجال مغناطيسي شمسي: لغز العلماء

مقدمة حول المجال المغناطيسي للشمس

تمتلك الشمس مجالًا مغناطيسيًا قويًا يخلق بقعًا شمسية على سطح النجم ويطلق العنان للعواصف الشمسية مثل تلك التي غمرت معظم الكوكب بالشفق الجميل هذا الشهر.

لكن كيفية توليد هذا المجال المغناطيسي بالضبط داخل الشمس هو لغز محير لعلماء الفلك منذ قرون، ويعود ذلك إلى زمن عالم الفلك الإيطالي غاليليو، الذي قام بأول رصد للبقع الشمسية في أوائل القرن السابع عشر، ولاحظ كيف تتنوع هذه البقع الشمسية مع مرور الوقت.

نظرية جديدة حول مصدر المجال المغناطيسي

وقد طرح الباحثون القائمون على دراسة متعددة التخصصات نظرية جديدة في تقرير نُشر يوم الأربعاء في مجلة Nature. وعلى النقيض من الأبحاث السابقة التي افترضت أن الحقل المغناطيسي للشمس ينشأ من أعماق الجرم السماوي، فإنهم يشتبهون في أن المصدر أقرب بكثير إلى السطح.

يمكن للنموذج الذي طوره الفريق أن يساعد العلماء على فهم أفضل للدورة الشمسية التي تستمر 11 عاماً وتحسين التنبؤ بالطقس الفضائي، الذي يمكن أن يعطل نظام تحديد المواقع العالمي وأقمار الاتصالات بالإضافة إلى إبهار مراقبي السماء ليلاً بالشفق.

يقول دانيال ليكوانيت، الأستاذ المساعد في العلوم الهندسية والرياضيات التطبيقية في كلية ماكورميك للهندسة بجامعة نورث وسترن وعضو مركز الاستكشافات والأبحاث متعددة التخصصات في الفيزياء الفلكية: "يقترح هذا العمل فرضية جديدة لكيفية توليد المجال المغناطيسي للشمس تتطابق بشكل أفضل مع الملاحظات الشمسية، ونأمل أن تُستخدم في وضع تنبؤات أفضل للنشاط الشمسي".

"نريد أن نتوقع ما إذا كانت الدورة الشمسية القادمة ستكون قوية بشكل خاص، أو ربما أضعف من المعتاد. لم تتمكن النماذج السابقة (بافتراض أن المجال المغناطيسي الشمسي يتولد في أعماق الشمس) من إجراء تنبؤات دقيقة أو (تحديد) ما إذا كانت الدورة الشمسية القادمة ستكون قوية أو ضعيفة".

أهمية البقع الشمسية في دراسة النشاط الشمسي

تساعد البقع الشمسية العلماء على تتبع نشاط الشمس. فهي نقطة انطلاق التوهجات الانفجارية وأحداث القذف التي تطلق الضوء والمواد الشمسية والطاقة الشمسية في الفضاء. وتعد العاصفة الشمسية الأخيرة دليلاً على اقتراب الشمس من "الحد الأقصى الشمسي" - وهي النقطة في دورتها التي تستمر 11 عاماً عندما يكون هناك أكبر عدد من البقع الشمسية.

وقال ليكوانيت: "لأننا نعتقد أن عدد البقع الشمسية يتتبع قوة المجال المغناطيسي داخل الشمس، فإننا نعتقد أن دورة البقع الشمسية التي تستمر 11 عاماً تعكس دورة في قوة المجال المغناطيسي الداخلي للشمس".

نمذجة المجال المغناطيسي للشمس

من الصعب رؤية خطوط المجال المغناطيسي للشمس، والتي تلتف عبر الغلاف الجوي الشمسي لتشكل شبكة معقدة من البنى المغناطيسية أكثر تعقيداً بكثير من المجال المغناطيسي للأرض. ولفهم كيفية عمل المجال المغناطيسي للشمس بشكل أفضل، يلجأ العلماء إلى النماذج الرياضية.

وفي سابقة علمية، أخذ النموذج الذي طوره ليكوانيه وزملاؤه في الحسبان ظاهرة تسمى التذبذب الالتوائي - وهي تدفقات الغاز والبلازما المدفوعة مغناطيسياً داخل الشمس وحولها والتي تساهم في تكوين البقع الشمسية.

في بعض المناطق، يتسارع أو يتباطأ دوران هذه الخاصية الشمسية في بعض المناطق، بينما يظل ثابتاً في مناطق أخرى. وعلى غرار الدورة المغناطيسية الشمسية التي تستمر 11 عاماً، تشهد التذبذبات الالتوائية أيضاً دورة مدتها 11 عاماً.

التذبذب الالتوائي وتأثيره على البقع الشمسية

"أعطتنا الملاحظات الشمسية فكرة جيدة عن كيفية تحرك المواد داخل الشمس. وبالنسبة لحساباتنا الحاسوبية الفائقة، قمنا بحل معادلات لتحديد كيفية تغير المجال المغناطيسي داخل الشمس بسبب الحركات المرصودة".

وأضاف: "لم يقم أحد بإجراء هذه الحسابات من قبل لأنه لم يكن أحد يعرف كيفية إجراء العملية الحسابية بكفاءة".

نتائج الحسابات الجديدة حول عمق المجال المغناطيسي

أظهرت حسابات المجموعة أن المجالات المغناطيسية يمكن أن تتولد على عمق حوالي 20,000 ميل (32,100 كيلومتر) تحت سطح الشمس - أقرب بكثير إلى السطح مما كان يُفترض سابقاً. وكانت نماذج أخرى قد أشارت إلى أنها أعمق بكثير - حوالي 130,000 ميل (209,200 كيلومتر).

وقال ليكوانيت: "توفر فرضيتنا الجديدة تفسيراً طبيعياً للتذبذبات الالتوائية المفقودة في النماذج السابقة".

التحديات والإنجازات في البحث

وقال ليكوانيت إن أحد الإنجازات المهمة كان تطوير خوارزميات عددية جديدة لإجراء الحسابات. وقال ليكوانيت إن المؤلف الرئيسي للورقة البحثية جيف فاسيل، وهو أستاذ في جامعة إدنبرة في المملكة المتحدة، توصل إلى هذه الفكرة منذ حوالي 20 عامًا، لكن تطوير الخوارزميات استغرق أكثر من 10 سنوات وتطلب حاسوبًا عملاقًا قويًا تابعًا لوكالة ناسا لإجراء عمليات المحاكاة.

وقال: "لقد استخدمنا حوالي 15 مليون ساعة من وحدة المعالجة المركزية لهذا التحقيق". "وهذا يعني أنني لو حاولت إجراء الحسابات على حاسوبي المحمول، لاستغرق الأمر حوالي 450 عاماً."

تطوير خوارزميات جديدة لإجراء الحسابات

في تعليق نُشر إلى جانب الدراسة، قالت إلين زويبل، أستاذة علم الفلك والفيزياء في جامعة ويسكونسن ماديسون، إن النتائج الأولية مثيرة للاهتمام وستساعد في إثراء النماذج والأبحاث المستقبلية. لم تشارك في الدراسة.

تأثير النتائج على الأبحاث المستقبلية

وقالت زويبل إن الفريق أضاف "عنصراً مثيراً للاهتمام إلى المزيج النظري الذي يمكن أن يكون مفتاحاً لكشف هذا اللغز الفيزيائي الفلكي."