معمایی که خورشید هنوز حل نکرده است

سطح مرئی خورشید که با نام فتوسفر (Photosphere) شناخته می‌شود، دمایی در حدود ۵۵۰۰ درجه سانتی‌گراد دارد. با این حال، اتمسفر خارجی آن یعنی کرونا (Corona)، تا دمایی بین یک تا دو میلیون درجه سانتی‌گراد (و در برخی نقاط حتی بیشتر) می‌سوزد!

در اتمسفر خورشید لایه خنک‌تر در پایین و لایه به شدت داغ‌تر در بالای آن قرار گرفته است؛ در چنین مقیاس‌های عظیمی، تفاوت بین سلسیوس و کلوین تنها یک خطای گرد کردن ساده است؛ این شکاف دمایی، واقعی، نجومی و حیرت‌انگیز است.

این وارونگی دمایی در فیزیک خورشیدی یک نام مشخص دارد: «مسئله گرمایش کرونایی» (Coronal Heating Problem) که معمای آن از اوایل دهه ۱۹۴۰، یعنی زمانی که دمای کرونا برای نخستین بار از روی طیف نوری آن محاسبه شد، همچنان باز است و پس از گذشت بیش از ۸۰ سال، فیزیکدانان هنوز نتوانسته‌اند پاسخ کاملی برای آن بیابند.

چرا این پدیده قانون ترمودینامیک را نقض نمی‌کند؟

اولین گزاره‌ای که باید اصلاح شود، این تصور اشتباه است که فتوسفر مانند یک اجاق گاز در حال داغ کردن یک قابلمه (کرونا) است و گرما از جسم گرم‌تر به جسم سردتر جریان می‌یابد. اگر مدل این‌گونه بود، داغ‌تر بودن کرونا نسبت به سطح زیرینش عملاً قانون دوم ترمودینامیک را نقض می‌کرد. اما چنین نیست؛ چرا که انرژی به شکل حرارت مستقیم به آنجا منتقل نمی‌شود.

رسانش گرمایی همیشه از سمت داغ به سرد جریان می‌یابد، اما کرونا از طریق رسانشِ فتوسفر گرم نمی‌شود. انرژی محرک کرونا در لایه‌های همرفتی و خروشان زیرین خورشید تولید شده و به صورت انرژی مکانیکی و مغناطیسی (و نه حرارت) از طریق خطوط میدان مغناطیسی خورشید به سمت بالا فرستاده می‌شود. این انرژی در نهایت در ارتفاعات بالای کرونا آزاد شده و تبدیل به حرارت منجمدکننده کدهای فیزیک می‌شود. بنابراین هیچ قانونی نقض نشده است؛ انرژی صرفاً از مسیری غیر از شهود اولیه ما سفر می‌کند.

سوال اصلی این است: چه مکانیزمی این انرژی مغناطیسی و مکانیکی را در کرونا تخلیه می‌کند و چرا این کار را با چنان بازدهی بالایی انجام می‌دهد که دما را به میلیون‌ها درجه می‌رساند؟

توافق‌ها و تقابل‌ها؛ دو متهم اصلی پرونده

روی کلیات توافق نظر وجود دارد؛ فیزیکدانان همگی هم‌عقیده‌اند که «میدان مغناطیسی خورشید» مسئول حمل و آزادسازی این انرژی است. اما اختلاف چهل‌ساله دانشمندان بر سر مکانیسم دقیق این فرآیند است که اکنون به دو نظریه اصلی محدود شده است:

۱. گرمایش موجی (Wave Heating): آشفتگی‌هایی به نام امواج آلفون (Alfvén waves)، امواجی که مانند شلاق در امتداد خطوط میدان مغناطیسی حرکت می‌کنند انرژی را از سطح بالا برده و از طریق ایجاد تلاطم (Turbulence) در کرونا تخلیه می‌کنند.

۲. نانوشراره‌ها (Nanoflares): نظریه‌ای که توسط بوجین پارکر در سال ۱۹۸۸ مطرح شد. خطوط میدان مغناطیسی خورشید به دلیل حرکات زیرسطحی مدام در هم پیچیده و بافته می‌شوند. پارکر استدلال کرد که این خطوط ناگهان پاره شده و دوباره به هم متصل می‌شوند (بازاتصال مغناطیسی) که این امر باعث ایجاد میلیاردها انفجار مینیاتوری (نانوشراره) می‌شود. هر نانوشراره یک‌میلیاردم یک شراره خورشیدی معمولی انرژی دارد؛ آن‌ها به تنهایی دیده نمی‌شوند، اما در مجموع می‌توانند این حرارت نجومی را تامین کنند.

هنوز هیچ‌کدام از این دو پدیده به طور مستقیم و به گونه‌ای که پرونده را کاملاً ببندد، رصد نشده‌اند. نانوشراره‌ها از نظر تلسکوپ‌های فعلی بیش از حد کوچک هستند و پدیده اتلاف موجی نیز به سختی در یک مکان و نرخ مشخص قفل می‌شود. دیدگاه غالب فعلی این است که هر دو مکانیسم احتمالاً در مناطق مختلف و با نسبت‌های متفاوت در حال فعالیت هستند.

دستاوردهای اخیر؛ داده‌های داغ از قلب کرونا

این مسئله علمی در سال‌های اخیر راکد نمانده است. کاوشگر خورشیدی پارکر ناسا (Parker Solar Probe) که در سال ۲۰۱۸ پرتاب شد، در سال ۲۰۲۱ برای نخستین بار در تاریخ بشریت از درون اتمسفر کرونا عبور کرد. این کاوشگر در ۲۴ دسامبر ۲۰۲۴ به نزدیک‌ترین فاصله ثبت‌شده خود یعنی ۶.۱ میلیون کیلومتری سطح خورشید رسید؛ نزدیک‌تر از هر سازه انسانی دیگر به یک ستاره.

پرواز در داخل کرونا به پارکر این امکان را می‌دهد که پلاسما و میدان مغناطیسی را در محل (In situ) اندازه‌گیری کند. این داده‌ها به دانشمندان کمک می‌کند تا گزینه‌ها را به روش حذفی کم کنند:

رد یک فرضیه: داده‌های پارکر نشان داد که پیچ‌وتاب‌های مغناطیسی S-شکل (موسوم به Switchbacks) که پیش‌تر متهم اصلی گرمایش بودند، در بادهای خورشیدی دورتر رایج هستند اما در داخل خود کرونا وجود ندارند؛ موضوعی که یک گزینه را از لیست حذف کرد.

تایید یک فرضیه: طبق گزارش دانشگاه میشیگان و انجمن فیزیک آمریکا (APS)، اندازه‌گیری‌های مستقیم پارکر از نحوه انتقال انرژی امواج به پروتون‌ها، شواهدی از یک فرآیند گرمایش موجی خاص به نام گرمایش تشدیدی سیکلوترونی (Cyclotron Resonant Heating) را تایید کرده است.

این پیشرفت‌ها نشان می‌دهند که ما اکنون مکانیسم شتاب بادهای خورشیدی را بسیار بهتر از یک دهه پیش درک می‌کنیم، اما پرونده گرمایش کرونایی هنوز بسته نشده و سهم دقیق هر یک از این مکانیزم‌ها مشخص نیست.

چرا حل این مسئله این‌قدر سخت است؟

بزرگ‌ترین مانع در مسیر فیزیکدانان، «مقیاس» (Scale) است. رویدادهایی که بار اصلی گرمایش را به دوش می‌کشند، یعنی نانوشراره‌های فردی و ساختار ظریف اتلاف امواج در ابعادی کوچک‌تر از قدرت تفکیک (رزولوشن) تلسکوپ‌ها و کاوشگرهای کنونی رخ می‌دهند. ما می‌توانیم اثرات تجمیعی آن‌ها (مانند دما، انرژی موج و جریان پلاسما) را اندازه‌گیری کنیم، اما ایزوله کردن تک‌تک رویدادها هنوز ممکن نیست.

در حال حاضر، کاوشگر پارکر در نزدیک‌ترین مدار خود قرار دارد و هر سه ماه یک‌بار از درون کرونا عبور می‌کند؛ هم‌زمان، مدارگرد خورشیدی آژانس فضایی اروپا (Solar Orbiter) نیز از زاویه‌ای دیگر خورشید را زیر نظر دارد. جریان بعدی داده‌ها مستقیماً از دل لایه‌ای خواهد آمد که نیاز به توضیح دارد؛ به همین دلیل است که این سوال ۸۰ ساله، همچنان یکی از پویاترین جبهه‌های فیزیک مدرن است.