ماموریت ماجراجویانه کاوشگر خورشیدی پارکر چه بود؟

به گزارش اقتصاد آنلاین به نقل از جام جم، تصورش هم دشوار است که دستگاه‌های الکترونیکی پیچیده با اجزای ظریف و آسیب‌پذیر مثل دوربین‌های عکاسی بتوانند در محیطی شبیه به کوره ذوب‌آهن کار کنند، اما پیشرفت علم و نبوغ مهندسی چنین کاری را ممکن کرده است. بشر، فضاپیمایی را ساخته است که با تمام ابزارآلات و تجهیزات الکترونیکی حساس خود به ملاقات خورشید رفته تا آن را «لمس کند» و با کاوش‌های خود به راز‌های سر به مهر آن پی ببرد.

هفته گذشته خبر رسید که این فضاپیمای ناسا که کاوشگر خورشیدی پارکر نام دارد، برای نخستین بار موفق به ملاقاتی نزدیک با گوی آتشین منظومه شمسی شده و در محیطی که برخی از انواع فولاد در آن ذوب می‌شود به نمونه‌برداری از ذرات خورشید و تصویربرداری و اندازه‌گیری‌های مختلف پرداخته است.

تصاویری که پارکر به زمین فرستاده چشم‌اندازی از شرایط بسیار سخت و نامساعد فضاپیمای جان‌سختی را به نمایش می‌گذارد که مورد هجوم سیل ذرات پرانرژی و تابش‌های فوق‌العاده شدید خورشید قرار دارد. لمس کردن خورشید ماموریت آسانی نیست.

دانشمندان، رویای ساخت فضاپیمایی را که به اندازه کاوشگر پارکر به خورشید نزدیک شود از۶۰‌سال پیش در سر می‌پروراندند. اما سرانجام این کاوشگر تابستان۱۳۹۷/۲۰۱۸ به فضا پرتاب شد و در مداری به دور خورشید قرار گرفت. چون مدار این فضاپیما بیضی‌شکل است، فاصله پارکر تا خورشید در حین گردشش ثابت نیست و در یک نقطه از مدارش کمترین فاصله را از خورشید دارد. از طرفی مدار فضاپیما با سازوکار خاصی به مرور کوچک‌تر می‌شود تا این نقطه به‌تدریج به خورشید نزدیک‌تر شود.

نزدیک‌ترین فاصله پارکر تا سطح خورشید حدود شش میلیون کیلومتر خواهد بود که نخستین بار در زمستان ۱۴۰۳/۲۰۲۴ به آن خواهد رسید. این حد از نزدیک شدن به خورشید بی‌سابقه است و پیش از پارکر رکورد نزدیک‌ترین فاصله از خورشید که بشر توانسته بود با کاوشگر‌های خود به آن دست یابد حدود هفت برابر این مقدار بوده است. پارکر با اینکه هنوز به کمترین فاصله خود نرسیده، اما مدت‌هاست که این رکورد قدیمی را شکسته‌است.

ماموریتی دشوار، اما مهم

شاید در نگاه اول شش میلیون کیلومتر فاصله زیادی به نظر برسد، اما باید به خاطر داشته باشیم که کاوشگر پارکر به ستاره‌ای داغ و سوزان نزدیک می‌شود. برای مقایسه نزدیک‌ترین سیاره منظومه شمسی به خورشید یعنی دنیای داغ عطارد، به طور متوسط در فاصله‌ای ده برابر بیشتر از این به دور خورشید می‌گردد. پارکر در نزدیک‌ترین فاصله اش از خورشید باید دمای حدود ۱۴۰۰‌درجه سانتی‌گراد را تحمل کند. این کاوشگر مجهز به یک سپر حرارتی از جنس نوعی کامپوزیت کربن است که به کمک پیشرفته‌ترین روش‌های فناوری و علوم مواد طراحی و ساخته شده است.

سپر محافظ کاوشگر پارکر در این گرمای دوزخی، دمای تجهیزات آن را نزدیک دمای اتاق نگه می‌دارد. بعضی ابزارآلات این کاوشگر که باید بیرون سپر حرارتی آن قرار داشته باشند تا بتوانند اندازه‌گیری‌هایی را انجام دهند نیز از جنس مواد خاص و با طراحی‌های ویژه‌ای ساخته شده‌اند تا در محیط بسیار داغ دوام بیاورند. مثل آنتن‌هایی که برای اندازه‌گیری میدان الکتریکی به کار می‌روند و از نوعی آلیاژ نیوبیوم ساخته شده‌اند. همچنین پارکر مجهز به سامانه خنک‌کننده‌ای در پشت سپر محافظ خود است.

با وجود تمام چالش‌های طراحی پارکر، انگیزه بالایی برای ساخت آن وجود داشت. دانشمندان همواره با انواع تلسکوپ‌ها و تجهیزات پیشرفته از روی زمین یا اطراف آن خورشید را زیر نظر دارند. اما این رصد‌ها هرگز به اندازه رفتن به نزدیکی خورشید برای شناخت آن مفید و موثر نیست. حضور در محل، امکان بررسی پدیده‌ها و دیدن جزئیاتی را فراهم می‌کند که از دور قابل مشاهده و اندازه‌گیری نیستند. همین موضوع باعث شده است که دانشمندان کاوشگری را سپر به دست عازم اکتشاف تک ستاره منظومه شمسی کنند!

این فضاپیما که جثه‌ای تقریبا به اندازه یک خودرو معمولی دارد به ابزارآلاتی مجهز است که به کمک آن‌ها می‌تواند میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی را اندازه بگیرد و به تصویربرداری از محیط اطراف خورشید بپردازد. دوربین تصویربرداری پارکر به نوعی سی‌سی‌دی (CCD) مجهز است که نسبت به انواع معمولی آن در برابر تشعشعات مقاومت بیشتری دارد و عدسی‌های آن نیز از جنسی است که در برابر تشعشعات و برخورد ذرات غبار دوام بیاورد. پارکر همچنین می‌تواند از ذرات خورشید نمونه‌برداری کند تا در همان محل ویژگی‌هایی مانند سرعت ذرات و دما و چگالی ماده را اندازه‌بگیرد.

لمس تاج خورشید

ناسا از همان ابتدای معرفی ماموریت کاوشگر پارکر، آن را ماموریتی برای «لمس خورشید» توصیف کرد و چنان که دیدیم، اکنون پارکر موفق به این کار شده است. اما با توجه به این‌که در نزدیک‌ترین حالت، فاصله کاوشگر از سطح خورشید شش میلیون کیلومتر خواهد بود، معنای لمس خورشید چیست؟ برای درک این موضوع باید تصویری کلی از ساختار خورشید را در ذهن داشته باشیم.

به قرص مرئی خورشید که در آسمان دیده می‌شود «سطح خورشید» می‌گوییم. البته این سطح مثل سطح سیاره‌هایی، چون مریخ و زمین جامد نیست. جنس خورشید چیست؟ خورشید از عناصر مختلفی تشکیل شده است که فراوان‌ترین آن‌ها هیدروژن و هلیوم هستند. از طرفی دمای خورشید در نواحی مختلف آن از چند هزار تا میلیون‌ها درجه متغیر است. در چنین دما‌هایی مواد سازنده خورشید، بار الکتریکی پیدا می‌کنند و خاصیت الکتریکی و مغناطیسی از خود نشان می‌دهند. این حالت ماده «پلاسما» نام دارد.

همان‌طور که بر فراز سطح سیاره‌هایی مثل کره زمین لایه‌هایی از گاز وجود دارد که به آن جَو گفته می‌شود، لایه‌هایی از پلاسمای رقیق نیز بالای سطح خورشید هستند که به آن‌ها جو خورشید می‌گوییم. بیرونی‌ترین لایه جو خورشید، تاج (Corona) نام دارد که هنگام خورشیدگرفتگی به صورت هاله سفیدرنگی اطراف آن دیده می‌شود. در شرایط عادی لایه‌های جو خورشید از جمله تاج را نمی‌بینیم، چون رقیق و کم‌نورند و تحت‌الشعاع نور شدید سطح خورشید قرار می‌گیرند، اما در زمان خورشیدگرفتگی که ماه قرص خورشید را می‌پوشاند، این لایه‌ها قابل مشاهده‌اند.

حالا درباره خورشید آن‌قدر می‌دانیم که به رویداد اخیر در ماجراجویی کاوشگر خورشیدی پارکر بپردازیم. منظور از این‌که پارکر خورشید را لمس کرده آن است که توانسته وارد تاج خورشید شود. در این رویداد که اردیبهشت امسال و در هشتمین عبور پارکر از نقطه نزدیک به خورشید در مدارش اتفاق افتاد این کاوشگر چند ساعتی را در تاج به سر برد.

دانشمندانی که داده‌های پارکر را دریافت می‌کردند از روی تغییرات باد خورشیدی و میدان مغناطیسی متوجه ورود آن به تاج خورشید شدند. با چاپ مقاله پژوهشی این رویداد در یکی از نشریات علمی، خبر وقوع آن روز ۲۳ آذر منتشر شد که هیجان فراوانی بین مردم، جوامع علمی و رسانه‌های خبری به وجود آورد.

مرز تاج کجاست؟

وقتی صحبت از ورود فضاپیما به تاج خورشید می‌شود شاید این‌طور به نظر برسد که مواد جو خورشید فقط تا فاصله مشخصی از آن وجود دارند، اما در واقع این طور نیست. ماده خورشید پیوسته به شکل جریانی از ذرات باردار که به آن «باد خورشیدی» می‌گوییم، از تاج بیرون می‌زند و در منظومه شمسی پخش می‌شود.

حتی زمین و سیاره‌های دیگر نیز همیشه در این جریان ذرات خورشید قرار دارند. اما دانشمندان مرزی را در اطراف خورشید تعریف کرده‌اند که حدود تاج را مشخص می‌کند و فراتر از آن مواد خورشید به شکل باد خورشیدی در فضا منتشر می‌شوند. این مرز، سطح بحرانی آلفون یا آلون (Alfvén) نام دارد و همان مرزی است که پارکر موفق شده پشت سر بگذارد.

تا پیش از این محل دقیق این مرز مشخص نبود و دانشمندان از روی تصاویر دور برآورد می‌کردند که در فاصله حدود هفت تا ۱۴‌میلیون کیلومتری سطح خورشید قرار داشته باشد. پارکر در این ماموریت محل دقیق آن را مشخص کرد و معلوم شد که تخمین‌ها درست بوده و در فاصله حدود ۱۳‌میلیون کیلومتری سطح خورشید واقع بوده است.

البته اندازه تاج خورشید همیشه ثابت نیست و با تغییرات فعالیت خورشید تغییر می‌کند. منظور از تغییر فعالیت خورشید آن است که مقدار انرژی تابشی خورشید و شدت و فراوانی بسیاری از پدیده‌های مغناطیسی آن در زمان‌های مختلف ثابت نیست. تقریبا هر ۱۱‌سال یک بار فعالیت خورشید به اوج می‌رسد و بعد دوباره به تدریج رو به افول می‌گذارد. وقتی فعالیت خورشید بیشتر باشد اندازه تاج نیز بزرگتر است. در حال حاضر خورشید در مرحله‌ای قرار دارد که فعالیت آن در حال افزایش است و بزرگ‌تر شدن تاج، امکان حضور بیشتر پارکر را در این محیط فراهم خواهد کرد.

ادامه ماموریت

کاوشگر پارکر باز هم در عبور نزدیک خود از کنار خورشید وارد تاج خواهد شد. عبور بعدی آن از نزدیکی خورشید در نیمه اول اسفند امسال خواهد بود و در این زمان دوباره به بررسی محیط تاج خورشید و پدیده‌های آن خواهد پرداخت. فرصت‌هایی مثل این به کشف پاسخ سوالات مهمی درباره خورشید کمک خواهد کرد. یکی از این پرسش‌ها، معمای گرمایش تاج است که دهه‌هاست ذهن پژوهشگران را مشغول کرده است. منبع انرژی خورشید واکنش‌های هسته‌ای است که در مرکز آن صورت می‌گیرد؛ بنابراین انتظار داریم هر چه از مرکز فاصله بگیریم دما کمتر شود.

این روند کاهش دما با فاصله گرفتن از مرکز به طور کلی در خورشید دیده می‌شود و تا سطح خورشید و کمی بالاتر از آن ادامه دارد، اما جایی در جو خورشید این روند معکوس می‌شود؛ به طوری که دمای چند هزار درجه‌ای سطح خورشید در تاج به چند میلیون درجه می‌رسد. تصور می‌شود این گرمایش عجیب به برخی پدیده‌های الکترومغناطیسی در خورشید ارتباط داشته باشد، ولی جزئیات آن هنوز هم در دست بررسی است.

ماموریت پارکر از نظر کاربردی نیز حائز اهمیت است. در زمان فعالیت شدید، گاهی «توفان»‌های خورشیدی رخ می‌دهد که در آن باد‌های خورشیدی شدید با سرعت زیاد گسیل می‌شود. این باد‌ها با رسیدن به زمین می‌تواند بر عملکرد و مدار ماهواره‌ها و ارتباطات رادیویی تاثیر بگذارد و حتی در نقاطی از زمین، به ویژه جا‌هایی که به قطب‌های مغناطیسی آن نزدیک‌اند، کارکرد شبکه‌های برق را مختل کند. با اتکای هر چه بیشتر بشر به ماهواره‌ها برای اموری، چون ناوبری و مخابرات، اهمیت محافظت از این ماهواره‌ها در برابر تاثیرات خورشید بیشتر می‌شود.

بررسی خورشید با کاوشگری مثل پارکر و دانشی که به کمک آن به دست می‌آید توانایی پیش‌بینی توفان‌های خورشیدی و اقدام به موقع برای جلوگیری از خسارات ناشی از آن را افزایش می‌دهد. هرچند پارکر در پایان ماموریت هفت ساله خود به زمین بر نخواهد گشت و در نهایت با سقوط در جو خورشید از بین خواهد رفت، دانش ما را از سازوکار‌های خورشید دگرگون خواهد کرد و میراثی ارزشمند از خود بر جا خواهد گذاشت.

حکایت نام پارکر

کاوشگر خورشیدی پارکر نام خود را از دانشمند خورشیدشناس برجسته‌ای به نام «یوجین پارکر» گرفته که اکنون ۹۴ ساله است. این نامگذاری خاص و منحصربفرد به شمار می‌رود، چون برای نخستین بار نام شخصی زنده بر فضاپیمایی گذاشته شده است! دلیل انتخاب این نام، تحقیقات و دستاورد‌های ارزنده این دانشمند در زمینه شناخت خورشید بوده است.

از جمله اینکه در اواسط دهه ۳۰ شمسی/۵۰ میلادی پارکر برای نخستین بار وجود باد خورشیدی را پیش‌بینی و فیزیک حاکم بر آن را بررسی کرد. ایده وجود جریانی از ذرات که پیوسته از خورشید به بیرون پخش می‌شود در آن زمان بسیار جدید بود و پژوهشگران دیگر با ناباوری با آن روبه‌رو شدند. پارکر حتی برای انتشار نتایج تحقیقات خود با دشواری‌هایی مواجه شد، اما سرانجام درستی دیدگاه او برای سایر دانشمندان این حوزه روشن شد. پارکر تحقیقات پیشتازانه دیگری نیز در حوزه فیزیک خورشید انجام داده که پژوهش‌هایی درباره منشا گرمایش تاج از آن جمله بوده است.

سوغات علمی از تاج خورشید

ورود کاوشگر پارکر به تاج خورشید فرصت کاوش‌های علمی مهمی را فراهم کرد که اینجا به چند نمونه از آن اشاره می‌کنیم.
اگر هنگام وقوع خورشیدگرفتگی تاج خورشید را نگاه کنیم، می‌بینیم که تاج یکنواخت نیست و می‌توان ساختار‌هایی بزرگ و کشیده را در آن تشخیص داد که از بخش‌های پایین تا بالای تاج به‌صورت شعاعی امتداد دارند. پارکر در عبور از فاصله حدود ۵/۱۰میلیون کیلومتری سطح خورشید از چنین ساختاری در تاج عبور کرد و توانست به بررسی آن بپردازد. وقتی پارکر وارد این ساختار شد، محیط اطراف آن آرام گرفت و حرکت ذرات خورشیدی دور و بر آن آهسته‌تر شد.

پارکر به جز تعیین محل مرز تاج خورشید، شکل آن را نیز مشخص کرد. این کاوشگر طی هشتمین عبور نزدیک خود از کنار خورشید، چند بار وارد تاج و از آن خارج شد. این موضوع نشان می‌داد همان‌طور که پیش‌بینی می‌شد، مرز تاج به شکل کره‌ای صاف و هموار دور خورشید نیست، بلکه دره‌ها و قله‌هایی دارد و چین خورده است.

پارکر طی مدتی که در تاج خورشید به سر می‌برد به بررسی پدیده‌ای جالب پرداخت که اولین‌بار در دهه ۷۰ شمسی مشاهده شده بود: خطوط میدان مغناطیسی خورشید بعضی جا‌ها انحنای شدیدی به‌شکل S پیدا می‌کند که باعث حرکت زیگزاگی ذرات باردار می‌شود. پیش‌تر در سال ۱۳۹۸/۲۰۱۹ پارکر نشان داده بود این پدیده که قبلا نادر و منحصر به نواحی قطبی خورشید تصور می‌شد، در باد خورشیدی بسیار متداول است. چنین بررسی‌هایی ممکن است سرانجام معماهایی، چون چگونگی گرمایش تاج و نحوه شتاب گرفتن باد‌های خورشیدی را حل کند.