خلال كسوف الشمس، يحاول الفلكيون الكشف عن أسرار الرياح الشمسية

في عام 2012، سافرت الفلكية (حبّال – Habbal) وهي عالمة فلك وأستاذة في جامعة هاواي، إلى شمال أستراليا لتشهد كسوف الشمس الكلي، وذلك عندما يغطي القمر تمامًا وجه الشمس.

وخلال تلك الدقائق الوجيزة التي يختفي فيها قرص الشمس وراء القمر، يُغطى قسم من الأرض بظل القمر، وأثناء الكسوف يتم رصد دفعات الغاز الساخن المنطلقة من الشمس والتي لا يمكن أن تُرصد عادةً، حيث تعتبر أحد الظواهر الطبيعية المذهلة والتي يمكن أن تُشاهد بالعين المجردة.

لكن وقتها – لسوء الحظ – حجبت الغيوم هذا المشهد الرائع، وتكرر الأمر في عام 2013 عندما سافرت حبّال إلى كينيا آملةً بأن تشهد كسوف كلي آخر للشمس، وقد حصلت حبّال على رؤية واضحة للكسوف عام 2015 في منطقة سفالبارد «أرخبيل نرويجي يقع في شمال الدائرة القطبية الشمالية» ولكنها واجهت مشهد غائم لكسوف الشمس في إندونيسيا عام 2016.

وقد صرحت حبّال لموقع Space.com: «آمل أن لا يحدث ذلك في عام 2017» في إشارة إلى الكسوف الكلي للشمس والذي سيمكن رصده فقط في الولايات المتحدة على طول طريق يمتد من ولاية أوريغون إلى ولاية ساوث كارولينا.

شادية حبّال وهي تضبط المعدات المستخدمة لمراقبة الغلاف الجوي للشمس أثناء الكسوف الكلي. تصديق: (شادية حبّال – Shadia Habbal)

لا يسعد أحد عندما تدمر حالة الطقس السيئة يوم عمله، وعندما لا تستطيع حبّال رصد كسوف كلي للشمس، فإن الخسارة تكون أكبر من مجرد تجربة كبيرة.

وباعتبارها فلكية في جامعة هاواي، تدرس «الرياح الشمسية» وهي تيار من الجسيمات التي تتدفق من سطح الشمس بشكل مستمر من خلال الانفجارات العنيفة وتقذف غيوماً من المواد إلى الفضاء.

تقول حبّال: «أثناء الكسوف الكلي للشمس يقوم العلماء برصد أفضل مشهد للطبقة السفلى من الغلاف الجوي، حيث تظهر الرياح الشمسية وهي تخرج من سطح الشمس».

تقول حبّال: «مع كسوف الشمس الكلي، يمكنك الرصد على مدى مسافات هائلة، وذلك بدءً من سطح الشمس إلى مسافات تمتد عدة أضعاف قُطرها».

وتقول أيضًا: «إن الكسوف الكلي للشمس هو الطريقة الوحيدة لدراسة نشوء الرياح الشمسية من سطح الشمس». ومع وجود محاولات متكررة لتقليد ظاهرة الكسوف الكلي عبر استخدام أدوات من صنع البشر لكنها لم تستطع التقاط جميع موجات الضوء، أو لا تستطيع الكشف عن الطبقة فوق سطح الشمس مباشرةً، والتي تعد دراستها بمثابة شريان الحياة لأبحاث حبّال وزملائها.

تجنب الكوارث الشمسية

تشكل الشمس مصدر الطاقة الأساسي لمعظم أشكال الحياة على الأرض، ولكنها بالوقت نفسه تشكل مصدر خطر كبير على المجتمع الحديث. تستطيع الانفجارات التي تحدث في الغلاف الجوي للشمس أن ترسل غيومًا هائلة من المواد المشحونة كهربائيًا باتجاه الفضاء الخارجي والتي تقوم بالاصطدام بالأرض، سيعرض هذا الاصطدام الأنظمة الالكترونية في الأقمار الاصطناعية لخطرٍ بالغ.

وينطوي على هذا خطر تعرض شبكات الاتصالات للشلل والذي سيؤثر على كل شيء، بدءً من خدمة الهاتف المحمول إلى الاقتصاد العالمي.

تستطيع هذه الانفجارات التي تُدعى «انبعاثات الكتلة التاجية» إرسال جسيمات مشحونة تصطدم بالمجال المغناطيسي للأرض لتصل إلى سطح الأرض، وتندفع عبر شبكات التغذية الكهربائية مسببةً أضراراً تحتاج من أسابيع إلى أشهر لإصلاحها.

في عام 1989 سبَّبَ انبعاث الكتلة التاجية (CME) انقطاع التيار الكهربائي عن مقاطعة كيبك الكندية بأكملها، وقد احتاج الأمر إلى 12 ساعة لاستعادة التيار الكهربائي.

وأبلغت أجزاء أخرى في أمريكا الشمالية عن أكثر من 2000 مشكلة في الشبكة، واستطاعت بلدان أخرى كالولايات المتحدة تجنب هذا الانقطاع الكبير.

يقول الخبراء إن انبعاث الكتلة التاجية (CME) يستطيع أن يقطع التيار الكهربائي عن قارة بأكملها لمدة أسابيع أو أكثر من ذلك.

ومثلما يساعد علم الأرصاد الجوية على إنقاذ الأرواح أثناء حدوث الأعاصير، فإن العلماء مثل حبّال يأملون بأن تساعد دراسة الشمس بتقديم تنبؤات أفضل للنشاط الشمسي، والذي سيساعد على إنقاذ البشرية من كارثة شمسية مدمرة.

ويعتبر الكسوف الشمسي هو الوقت الوحيد الذي تستطيع فيه حبّال أن تحصل على بيانات حاسمة لفهم عملية تشكل انبعاث الكتلة التاجية (CME)، والخصائص الشمسية التي قد تقدم إشارات على كارثة شمسية محتملة.

التوقيت بالغ الأهمية

يحدث كسوف الشمس الكلي في مكان ما على الأرض بمعدل متوسط كل 18 شهرًا تقريبًا، ولسوء الحظ لا تحدث هذه الظاهرة المثيرة دائمًا في أمكان سهل الوصول إليها.

وعلاوةً على ذلك، خلال الكسوف الكلي للشمس، فإن القمر يستطيع حجب وجه الشمس بشكل كلي لمدة 7 دقائق على الأكثر – وهذا حسب حجم الأشياء وكيف تتحرك بالنسبة لبعضها البعض – ولكنه غالبًا ما يستمر لما مجموعه 3 أو 4 دقائق فقط.

وبأخذ هذه العوامل في الاعتبار، فإن حبّال بحاجة إلى 10 سنوات لكي تجمع ساعة واحدة من البيانات، طبعًا إذا كانت هي وزملائها دائمًا في المكان الصحيح لرصد كسوف الشمس ولم يكن الطقس غائمًا أبدًا.

ومع أن هذه المدة لا تبدو كبيرة، لكن حبّال تقول بأنها تستطيع الحصول على كمية هائلة من البيانات أثناء دقائق من رصد الكسوف الكلي للشمس فقط. وتستطيع الاستفادة من المعلومات التي يقدمها كسوف واحد لسنوات، أو تقوم بدمجها مع بيانات كسوف لاحق وبالتالي يزداد عمق أفكارها.

تقول حبّال لموقع Space.com: «إن ما يجعل الكسوف مدهشًا جدًا هو أن كل كسوف أو حتى كل صورة للكسوف تقدمان استكشافًا جيدًا حول للشمس».

وتضيف قائلةً: «حتى لو كان مجموع ما لديك من الوقت ثوانٍ أو دقائق معدودة، فإنه يمكنك الحصول على شيءٍ جديد».

من خلال مراقبة الشمس في أطوال موجية معينة من الضوء، فإنه يمكن للعلماء رؤية ميزات مختلفة على سطح النجم، مثل (الحلقات التاجية) أو (الحبال المتدفقة) والتي تقوم برفع المواد الساخنة من سطح الشمس.
تصديق: (ناسا/ مرصد الشمس الديناميكي – NASA/Solar Dynamics Observatory)

خذ على سبيل المثال، في كسوف الشمس الكلي عام 1869، قام العلماء حينها بتحليل التركيب الكيميائي للغلاف الجوي الخارجي للشمس والذي يُدعى (هالة الشمس – corona).

وقد أظهرت نتائج ذلك التحليل وجود عنصر كيميائي لم يسبق للعلماء رؤيته من قبل واستغرق الأمر 70 سنة لتحديده. حيث تبين أن تعرض ذرات الحديد للحرارة الشديدة يُحرر 13 إلكترون من إلكتروناتها الـ 26.

وتعقب حبّال: «معنى ذلك أن درجة حرارة هالة الشمس كانت أكثر من 2 مليون كلفن، حوالي 3.6 مليون درجة فهرنهايت أو 1.9 مليون درجة مئوية».

إن الشمس بالطبع حارةٌ جدًا، حيث تصل الحرارة في مركزها إلى حوالي 27 مليون درجة فهرنهايت، أي 15 مليون درجة مئوية. بينما في الأماكن الخارجية البعيدة عن المركز، وهي سطح الشمس أو أعمق طبقة يستطيع البشر رصدها مباشرة والتي تدعى الغلاف الضوئي فإن الحرارة تكون حوالي 6.700 إلى 11.000 درجة فهرنهايت أي 3.700 إلى 6.200 درجة مئوية.

ولكن في خارج الغلاف الضوئي، تبدو الأوضاع بشكل عكسي، حيث أن حرارة الطبقة الأولى من الغلاف الجوي للشمس والتي تُدعى «كروموسفير» تصل إلى 14.000 درجة فهرنهايت أي 7,700 درجة مئوية، وعند الارتفاع إلى طبقة (هالة الشمس – corona) تبدو الأوضاع هناك أكثر غرابة، حيث تصل الحرارة هناك إلى أكثر من 3,5 مليون درجة فهرنهايت أي 2 مليون درجة مئوية – أكثر سخونة من سطح الشمس بـ 200 إلى 300 ضعف – تخيل بأنك أوقدت نارًا واكتشفت بأن حرارة الهواء حولها أعلى بـ 200 إلى 300 مرة من حرارة اللهب نفسه.

تُرى ما هي الآلية التي تقدم تفسيرًا لهذه الظاهرة؟

إن العلماء لا يعرفون حتى الآن ما هي الآلية المسؤولة عن هذا التفاوت في درجة الحرارة الشمس، ولكنهم يعلمون أنهم يجب أن يدرسوا الكسوف الكلي للشمس للتعرف عليها.

عالم يقوم بضبط أدوات الرصد قبل حدث الكسوف الكلي للشمس في أندونيسيا
تصديق: شادية حبال – Shadia Habbal

تتبع الحرارة

تبحث حبّال وزملائها في الغلاف الجوي للشمس عن ذرات الحديد التي فقدت 13 الكترون أو كما تُدعى «حديد 13» وكذلك الحديد 10 – الذي يحتوي على 10 إلكترونات – وذرات النيكل والأرجون والكالسيوم والأكسجين وغيرها من الذرات التي فقدت الكترونات (تُدعى هذه الأنواع من الذرات بالأيونات).

يساعد تحديد وجود نوع معين من الأيونات مع عدد محدد من الالكترونات المفقودة في الكشف عن درجة حرارة منطقة معينة. في كثير من الأحيان، تحافظ هذه الأيونات على «دلالات درجة الحرارة» حتى إنها تتحرك إلى مناطق مختلفة، مما يعني أنها يمكن أن تساعد العلماء على تتبع انتقال الحرارة والمواد في جميع أنحاء الشمس وغلافها الجوي.

إن معرفة كيفية انتقال الحرارة والطاقة بين جسم الشمس وغلافها الجوي سيكون له أثر حاسم في كشف سر هالة الشمس. وكما قال العلماء، يمكن أن تقدم دلالات حول الوقت المحتمل لحدوث انبعاث الكتلة التاجية (CME) في الغلاف الجوي للشمس.

صورة لخطوط المجالات المغناطيسية المتشابكة في الشمس.
تصديق: ناسا/ سدو/ آيا/ لمسال – NASA/SDO/AIA/LMSAL

يشير انبعاث الكتلة التاجية (CME) إلى وجود سحابة من الحرارة والجسيمات المشحونة منطلقة نحو الفضاء الخارجي من سطح الشمس، ولكن هذه الانفجارات نشأت من قبل المجال المغناطيسي للشمس.

ولشرح ذلك، إذا قمت بوضع نثارة من الحديد بالقرب من مغناطيس فإنك سوف ترى أن هذه النثارة قد رسمت خطوط الحقل المغناطيسي الخاص بهذا المغناطيس والتي هي مسؤولة عن خاصية جذب وطرد الأجسام من المغناطيس.

تبدو خطوط الحقل المغناطيسي لقطعة صغيرة من المغناطيس أنيقة ومتناظرة، ولكن على الشمس، فإن هذه الخطوط الغير مرئية تكون ملتوية وهائجة.

تتشابك هذه الخطوط فيما يسمى «الحبال المتدفقة» والتي تستطيع أن تشكل عُقدًا من المواد على سطح الشمس تدعى بـ «الشواظ الشمسي»، إن انفجار هذا «الشواظ» يؤدي إلى انطلاق انبعاثات الكتل التاجية (CME).

خلال كسوف الشمس الكلي في مارس 2015 الذي رُصِّد من (سفالبارد – Svalbard)، لاحظت حبَال وزملائها سحابةً من المواد أنشأها انبعاث كتلي تاجي (CME) حيث تحركت هذه السحابة إلى الفضاء بعيدًا عن الشمس.

إن ما وجدوه أن هذه الفقاعة المكونة من المواد الساخنة من هالة الشمس تحتوي في نواتها على تكثف من المواد الباردة من الشواظ الذي سبقها، مثل كعكة منصهرة من الحِمم.

وقد قالت حبّال: أن لا أحدًا لاحظ شيئًا من هذا القبيل من قبل.

وقالت حّبال: «إن الغريب في هذا الأمر من وجهة نظر فيزيائية، أن مواد باردة نسبيًا – 100 مرة أبرد من مواد هالة الشمس – لم تتأثر بالمواد الساخنة حولها، فقط حافظت على خصائصها وحلقت بعيدًا».

قدم هذا الاكتشاف قطعة أخرى إلى لغز آلية تحرك الطاقة والحرارة في هذه البيئة. لكن حبّال وزملائها يعتقدون أنهم قد أنجزوا اكتشافًا أكبر من خلال الجمع بين ملاحظات الكسوف على مدى عقدٍ من الزمان.

يشير النشاط الشمسي إلى عدد الانبعاثات الكتلية التاجية (CME) على سطح الشمس. جنبًا إلى جنب مع انفجارات ساطعة من الضوء تسمى التوهجات الشمسية. يزداد النشاط الشمسي وينخفض عبر دورة تبلغ 11 عامًا، وتنعكس هذه الدورة أيضًا في عدد البقع الشمسية على سطح الشمس.

البقع الشمسية هي البقع الداكنة – التي يمكن رؤيتها عن طريق النظارات الخاصة – المتكونة من المواد «الباردة نسبيًا» التي تتشكل في الأماكن التي انفجرت فيها حِزم من خطوط المجال المغناطيسي ضمن الغلاف الضوئي للشمس.

وفي حين أن زيادة عدد البقع الشمسية مرتبط بزيادة في النشاط الشمسي، فإن ذلك لا يعني بالضرورة أن البقع الشمسية هي مؤشر مباشر على مكان أو توقيت حدوث انفجار.

وجدت حبّال وزملائها – وكما يقولون – علاقة مباشرة بين التيارات والشواظ، وهي المناطق التي تكون فيها الهالة الشمسية أكثر سخونة، يبدو أن الشواظ الشمسي البارد نسبيًا يقوم بالحث على تشكل الهالة الشمسية، كما أن لديه أيضًا تأثير على درجة الحرارة.

صورة معدلة ومحسنة من لقطتين فوتوغرافيتان، تظهر المنطقة الصلبة الحمراء عندما تقوم أداة تسمى بـ (كوروناجراف – coronagraph) بحجز الضوء القادم من جسم الشمس، كاشفةً عن الانفجارات الحاصلة في الغلاف الجوي للشمس. ولكن بافتراض أن الكوروناجراف قد التقط صورة لنطاق عريض من جسم الشمس، يحجب (كوروناجراف) أغلب أقسام الشمس الواقعة ضمن غلافها الجوي وبالتالي لا يمكن أن يحل محل الملاحظات التي تُأخذ خلال كسوف الشمس الكلي.
تصديق: إسا / ناسا – ESA/NASA

إن الملاحظات التي قادت إلى هذه الأفكار يمكن أن تُرصد فقط من الكسوف الكلي للشمس، ولا تستطيع أي وسائل اصطناعية أن تحجب ضوء الشمس على نحوٍ فعال كالذي يحدث في الكسوف الطبيعي.

تجري محاولات على الآلات التي تدعى «كوروناجراف» لكي تقوم مقام الكسوف الطبيعي، لكنها لا تستطيع أن تكشف المنطقة التي تبدأ من الغلاف الجوي للشمس إلى سطح الشمس، بالإضافة إلى ذلك فإنه من الواضح أن الكوروناجراف أصغر بكثير من القمر وبالتالي فلا يمكنها أن تحجب ضوء قرص الشمس بشكل كافي.

وأيضًا، فإن طول الإشعاعات المنبعثة من الغلاف الجوي للشمس مماثلة للتي تصدر من الغلاف الضوئي للشمس، لذلك لا تقدم مرشحات الطول الموجي أي مساعدة تذكر بحيث تغني عن الكسوف الطبيعي.

لا يزال هناك عمل يجب القيام به لحل لغز درجة الحرارة الهائلة لهالة الشمس، كما لا يزال العلماء غير قادرين على التنبؤ بمكان حدوث الانبعاثات الكتلية التاجية (CME).

ولكن العلماء استطاعوا أن يقدموا أفكار لفهم آلية انتقال حرارة الشمس بعيدًا عنها لتصل إلى مسافة 92.95 مليون ميل أي 149 مليون كيلومتر لتقوم بدعم أو تدمير الحياة على الأرض.

بالنسبة لكسوف عام 2017 فإنه سيكون لدى حبّال وزملائها خمس محطات مراقبة تمتد على طول المنطقة التي سيحدث فيها الكسوف الكلي، أي ما يقرب من 70 ميلًا أي 113 كم تمتد من ولاية أوريغون إلى ولاية كارولينا الجنوبية بالولايات المتحدة الأمريكية.

سوف تقوم محطات الكشف المتعددة برصد الكسوف لمدة زمنية مجموعها أطول من لو كان لديهم محطة واحدة، كما سوف تمتد فترة رصد التغيرات الحاصلة على الغلاف الجوي للشمس على مدى ساعات قليلة، لكن القضية الحاسمة كما تقول حبّال هي التغلب على الطقس.

• ترجمة: عامر السبيعي
• تدقيق: محمد عبدالحميد ابوقصيصة
• تحرير: أميمة الدريدي
• المصدر