دراسة الفقاعة الواقية لنظامنا الشمسي

قام فريق متعدد المؤسسات من علماء الفيزياء الفلكية ومقره في جامعة بوسطن ، بقيادة عالم الفيزياء الفلكية من جامعة بوسطن ، ميراف أوفير ، باكتشاف اختراق في فهمنا للقوى الكونية التي تشكل الفقاعة الواقية المحيطة بنظامنا الشمسي – فقاعة تؤوي الحياة على الأرض وهي يعرفه باحثو الفضاء باسم الغلاف الجوي للشمس.

يعتقد علماء الفيزياء الفلكية أن الغلاف الشمسي يحمي الكواكب داخل نظامنا الشمسي من الإشعاع القوي المنبعث من المستعرات الأعظمية ، الانفجارات النهائية للنجوم المحتضرة في جميع أنحاء الكون. يعتقدون أن الغلاف الشمسي يمتد إلى ما هو أبعد من نظامنا الشمسي ، ولكن على الرغم من الحاجز الهائل ضد الإشعاع الكوني الذي يوفره الغلاف الشمسي لأشكال الحياة للأرض ، لا أحد يعرف حقًا شكل الغلاف الشمسي – أو حجمه.

يقول جيمس دريك ، عالم الفيزياء الفلكية بالجامعة: “ما مدى صلة ذلك بالمجتمع؟ توفر الفقاعة التي تحيط بنا ، والتي تنتجها الشمس ، الحماية من الأشعة الكونية المجرية ، ويمكن أن يؤثر شكلها على كيفية دخول هذه الأشعة إلى الغلاف الشمسي”. من ولاية ماريلاند الذي يتعاون مع أوفير. “هناك الكثير من النظريات ، ولكن ، بالطبع ، الطريقة التي يمكن أن تدخل بها الأشعة الكونية المجرية يمكن أن تتأثر بهيكل الغلاف الشمسي – هل يحتوي على تجاعيد وثنيات وهذا النوع من الأشياء؟”

أنشأ فريق أوفير بعضًا من أكثر عمليات المحاكاة الحاسوبية إلحاحًا للغلاف الشمسي ، استنادًا إلى نماذج مبنية على البيانات القابلة للرصد والفيزياء الفلكية النظرية. في BU ، في مركز فيزياء الفضاء ، يقود أوفير ، أستاذ علم الفلك بكلية الفنون والعلوم ، مركز علوم NASA DRIVE (التنوع ، الإدراك ، التكامل ، المشروع ، التعليم) الذي يدعمه 1.3 مليون دولار بتمويل من وكالة ناسا. هذا الفريق ، المكون من خبراء تم تجنيدهم من 11 جامعة ومعهد أبحاث آخرين ، يطور نماذج تنبؤية للغلاف الشمسي في محاولة يسميها الفريق SHIELD (الرياح الشمسية مع تبادل أيونات الهيدروجين وديناميكيات واسعة النطاق).

منذ أن تلقى مركز BU’S NASA DRIVE للعلوم التمويل لأول مرة في عام 2019 ، بحث فريق SHIELD في أوفير عن إجابات للعديد من الأسئلة المحيرة: ما هو الهيكل العام للغلاف الشمسي؟ كيف تتطور جسيماتها المتأينة وتؤثر على عمليات الغلاف الشمسي؟ كيف يتفاعل الغلاف الشمسي ويؤثر على الوسط النجمي ، المادة والإشعاع الموجود بين النجوم؟ وكيف يتم ترشيح الأشعة الكونية أو نقلها عبر الغلاف الشمسي؟

يقول أوفير: “تجمع SHIELD بين النظرية والنمذجة والملاحظات لبناء نماذج شاملة”. “كل هذه المكونات المختلفة تعمل معًا للمساعدة في فهم ألغاز الغلاف الشمسي.”

والآن تم نشر ورقة بحثية بواسطة Opher والمتعاونين فيه مجلة الفيزياء الفلكية يكشف أن جزيئات الهيدروجين المحايدة المتدفقة من خارج نظامنا الشمسي تلعب على الأرجح دورًا مهمًا في الطريقة التي يتشكل بها الغلاف الشمسي.

في دراستهم الأخيرة ، أراد فريق أوفير أن يفهم سبب عدم استقرار نفاثات الغلاف الشمسي – أعمدة الطاقة والمادة المتفتحة التي تشبه الأنواع الأخرى من النفاثات الكونية الموجودة في جميع أنحاء الكون – غير مستقرة. “لماذا تقوم النجوم والثقوب السوداء – وشمسنا – بإخراج نفاثات غير مستقرة؟” يقول أوفير. “إننا نرى هذه الطائرات تُسقط على شكل أعمدة غير منتظمة ، و [astrophysicists] لقد كنت أتساءل لسنوات لماذا تسبب هذه الأشكال عدم استقرار “.

وبالمثل ، تتوقع نماذج SHIELD أن الغلاف الجوي للشمس ، الذي يسافر جنبًا إلى جنب مع شمسنا ويحيط بنظامنا الشمسي ، لا يبدو أنه مستقر. تميل نماذج أخرى من الغلاف الشمسي طورها علماء فيزياء فلكية آخرون إلى تصوير الغلاف الشمسي على أنه له شكل يشبه المذنب ، مع نفاثة – أو “ذيل” – تتدفق خلفها. في المقابل ، يشير نموذج أوفر إلى أن الغلاف الجوي للشمس يشبه إلى حد كبير كرواسون أو حتى كعكة دونات.

ما سبب ذلك؟ تسمى جزيئات الهيدروجين المحايدة لأنها تحتوي على كميات متساوية من الشحنة الموجبة والسالبة التي لا تحتوي على أي شحنة على الإطلاق.

يقول أوفير: “إنهم يأتون عبر النظام الشمسي”. باستخدام نموذج حسابي مثل الوصفة لاختبار تأثير “العناصر المحايدة” على شكل الغلاف الشمسي ، “أخرجت مكونًا واحدًا من الكعكة – العناصر المحايدة – ولاحظت أن النفاثات القادمة من الشمس ، وتشكل الغلاف الشمسي ، مستقر للغاية. عندما أعيدها إلى الداخل ، تبدأ الأشياء في الانحناء ، ويبدأ المحور المركزي في الاهتزاز ، وهذا يعني أن شيئًا ما داخل نفاثات الغلاف الشمسي أصبح غير مستقر للغاية. “

سيؤدي عدم الاستقرار من هذا القبيل نظريًا إلى حدوث اضطراب في الرياح الشمسية والنفاثات المنبعثة من شمسنا ، مما يتسبب في تقسيم الغلاف الشمسي لشكله – إلى شكل يشبه الكرواسون. على الرغم من أن علماء الفيزياء الفلكية لم يطوروا بعد طرقًا لرصد الشكل الفعلي للغلاف الشمسي ، فإن نموذج أوفر يشير إلى وجود أجسام محايدة تصطدم بأجسادنا. شمسي سيجعل النظام من المستحيل على الغلاف الشمسي التدفق بشكل موحد مثل مذنب إطلاق النار. وهناك شيء واحد مؤكد – المحايدون بالتأكيد يشقون طريقهم عبر الفضاء.

يقول دريك ، وهو مؤلف مشارك في الدراسة الجديدة ، إن نموذج أوفر “يقدم التفسير الأول الواضح لسبب تكسر شكل الغلاف الشمسي في المناطق الشمالية والجنوبية ، مما قد يؤثر على فهمنا لكيفية دخول الأشعة الكونية المجرية إلى الأرض والقرب منها. -بيئة الأرض. ” يمكن أن يؤثر ذلك على التهديد الذي يشكله الإشعاع على الحياة على الأرض وأيضًا لرواد الفضاء في الفضاء أو رواد المستقبل الذين يحاولون السفر إلى المريخ أو الكواكب الأخرى.

يقول أوفير: “الكون ليس هادئًا”. “نموذج BU الخاص بنا لا يحاول القضاء على الفوضى ، مما سمح لي بتحديد السبب [of the heliosphere’s instability]…. جزيئات الهيدروجين المحايدة “.

على وجه التحديد ، فإن وجود العناصر المحايدة التي تصطدم بالغلاف الشمسي يؤدي إلى ظاهرة معروفة جيدًا لدى الفيزيائيين ، تسمى عدم استقرار رايلي-تايلور ، والتي تحدث عندما تصطدم مادتان بكثافة مختلفة ، مع دفع المادة الأخف وزناً تجاه المادة الأثقل. هذا ما يحدث عندما يتم تعليق الزيت فوق الماء ، وعندما يتم تعليق السوائل أو المواد الثقيلة فوق السوائل الأخف. تلعب الجاذبية دورًا وتؤدي إلى ظهور بعض الأشكال غير المنتظمة بشكل كبير. في حالة النفثات الكونية ، فإن السحب بين جسيمات الهيدروجين المحايدة والأيونات المشحونة يخلق تأثيرًا مشابهًا للجاذبية. “الأصابع” التي تظهر في سديم رأس الحصان الشهير ، على سبيل المثال ، ناتجة عن عدم استقرار رايلي-تايلور.

يقول أوفير: “هذا الاكتشاف هو حقًا اختراق كبير ، لقد وضعنا حقًا في اتجاه اكتشاف سبب حصول نموذجنا على الغلاف الشمسي المميز على شكل كرواسون ولماذا لا تفعل النماذج الأخرى”.