مشاهدات جدید برهم‌کنش میدان‌های مغناطیسی زمین و خورشید

بسیاری از مردم توجه زیادی به میدان مغناطیسی زمین نمی‌کنند، اما میدان مغناطیسی به اندازه هوا، آب و نور خورشید حیاتی است. میدان مغناطیسی زمین مانعی نامرئی اما بسیار مهم برای محافظت از زمین در برابر میدان مغناطیسی خورشید ایجاد می‌کند که منشا ایجاد جریانی از ذرات باردار است که به باد خورشیدی معروفند و از بیرونی‌ترین لایه خورشید خارج می‌شوند. برهم‌کنش میان این دو میدان مغناطیسی باعث بروز توفان‌های انفجاری در جو نزدیک به زمین می‌شود. این توفان‌ها این قدرت را دارند تا ماهواره‌ها را از کار بیاندازند و به‌رغم مقابله‌ای که از سوی میدان‌های مغناطیسی زمین در برابر آن‌ها می‌شود، اما به سطح زمین هم آسیب برسانند.

پژوهش جدیدی که با همکاری فیزیک‌دانان دانشگاه مریلند در ایالات متحده انجام شده، نتایج مهمی برای ماموریت مگنتوسفرنیک مولتی‌اسکیل (MMS: Magnetospheric Multiscale) ناسا رقم زده که در آن مشاهدات بی‌سابقه‌ای از برهم‌کنش میدان‌های مغناطیسی زمین و خورشید ثبت شده است. مقاله مستخرج از این پژوهش بیان‌کننده اولین مشاهدات جزئی و مستقیم از پدیده‌ای است که به نام پیوند مجدد مغناطیسی (magnetic reconnection) شناخته می‌شود و زمانی روی می‌دهد که خطوط بین دو میدان مغناطیسی مخالف شکسته شده و پیوند دوباره‌ای با هم برقرار ‌کنند که در نتیجه آن مقدار قابل توجهی انرژی آزاد می‌شود.

این اکتشاف مرحله بسیار مهمی در درک علم مغناطیس و آب و هوای فضاست. جیمز درک، استاد فیزیک دانشگاه مریلند و یکی از نویسندگان مشترک این پژوهش، می‌گوید: «دو قطار را تصور کنید که در دو ریل متفاوت به سمت یکدیگر درحرکت‌اند اما در آخرین لحظه وارد یک ریل مشترک می‌شوند. هر کدام از این دو ریل متفاوت نمادی از خط میدان مغناطیسی از میدان‌های مغناطیسی‌ خورشید و زمین‌اند در حالی که تغییر ریل آن‌ها و وارد شدن در یک ریل مشترک نمادی از پیوند مجدد است. برخورد این دو قطار انرژی عظیمی آزاد می‌کند». 

مشاهدات حاکی از این است که این پدیده منشا نیروی محرک اصلی رویدادهایی نظیر جرقه‌های خورشیدی، خروج جرم از تاج خورشیدی، توفان‌های مغناطیسی و شفق در دو قطب شمال و جنوب زمین است. به‌رغم این‌که حدود نیم‌قرن است که پژوهش‌گران تلاش می‌کنند تا پیوند مجدد مغناطیسی را در آزمایشگاه و در فضا مطالعه کنند، اما ماموریت اصلی MMS مشاهده مستقیم نحوه روی دادن پیوند مجدد مغناطیسی است.

ماموریت MMS نسبت به گذشته مشاهدات دقیق‌تری را در اختیار پژوهش‌گران قرار داده است. MMS با پرواز به شکل یک هرم در حاشیه میدان مغناطیسی زمین و با فقط 10 کیلومتر فاصله با چهار فضاپیمای یکسان، هر 30 میلی‌ثانیه از الکترون‌های درون هرم تصویربرداری می‌کند. برعکس روش MMS، در ماموریت آژانس فضایی اروپا و  ماموریت کلاستر 2 ناسا (NASA's Cluster II mission) در هر سه ثانیه اندازه‌گیری‌ها انجام می‌شد در حالی که در MMS در هر سه ثانیه 100 اندازه‌گیری انجام می‌شود. 

جیمز درک که یکی از مسئولان تیم علمی MMS بود و همچنین به تیم مهندسی در زمینه ابزارهای مورد نیاز MMS مشورت می‌داد، می‌گوید: «فقط داده‌ها و اطلاعات منتج از MMS به خودی‌خود خارق‌العاده‌اند. جزئیات موجود در نتایج این ماموریت به ما این امکان را می‌دهد تا اطلاعات جدیدی در مورد موضوعاتی پیدا کنیم که تا پیش از این مبهم و نامخشص بودند. در کلاستر 2 به دلیل فاصله سه‌ثانیه‌ای امکان مشاهده پیوند مجدد مغناطیسی وجود نداشت. اما کیفیت داده‌های MMS کاملا الهام‌بخش است. اصلا مشخص نیست که آیا پیش از این ماموریتی مانند ماموریت MMS انجام شده است یا خیر؟». 
مشاهده پیوند مجدد مغناطیسی به خودی‌خود اتفاق مهم و برجسته‌ای است. با این حال، هدف اصلی ماموریت MMS تشخیص این موضوع بود که چگونه خطوط میدان مغناطیسی به طور موقت می‌شکنند و باعث به وجود آمدن پیوند مجدد مغناطیسی و آزاد شدن انرژی می‌شوند. اندازه‌گیری و مطالعه رفتار الکترون‌ها وقتی پیوند مجدد مغناطیسی روی می‌دهد اطلاعات و توصیف دقیق‌تری از نحوه انجام و به وجود آمدن پیوند مجدد به دست می‌دهد. همچنین این مطالعه به این پرسش پاسخ می‌دهد که آیا پیوند مجدد مغناطیسی در فرایندی منظم و مشخص انجام می‌شود و یا در وضعیتی ناموزون، توفان‌مانند و نامنظم.   
شناسایی تصویر دقیق‌تر و واضح‌تر از فیزیک پدیده پیوند مجدد مغناطیسی پژوهش‌گران را یک گام در درک آب و هوای فضا شامل این‌که آیا جرقه‌های خورشیدی و طوفان‌های مغناطیسی از نوعی الگوهای قابل پیش‌بینی مانند آب و هوای زمین پیروی می‌کنند یا خیر، جلوتر می‌برد. همچنین مطالعه پدیده پیوند مجدد مغناطیسی به دانشمندان این امکان را می‌دهد تا پدیده‌های دیگر و پرانرژی‌تر فیزیک نجومی را مانند مگنتار یا ستاره مغناطیسی که نوعی ستاره نوترونی است که میدان مغناطیسی بسیار نیرومندی دارد بهتر و دقیق‌تر درک کنند.
مارک سوئیس‌داک، پژوهش‌گر (associate research scientist) موسسه پژوهش‌های الکترونیک و فیزیک کاربردی UMD است. او  در نوشتن مقاله این پژوهش حضور نداشته اما همکاری فعالانه‌ای با جیمز درک و دیگران در تحلیل داده‌های MMS داشته است. سوئیس‌داک می‌گوید: «درک پدیده پیوند مجدد مغناطیسی تاثیر عمده‌ای در یافتن پاسخ بسیاری از  پرسش‌های علمی در حوزه فیزیک خورشیدی و فیزیک نجومی می‌گذارد». او اضافه می‌کند: «پیوند مجدد در میدان مغناطیسی زمین دارای انرژی نسبتا پایینی است، اما اگر عناصر و ویژگی‌های آن را وارد سیستم‌های پرانرژی‌تر کنیم، می‌توانیم درک درست و خوبی از رویدادهایی که در چنین سیستم پرانرژی‌ای روی می‌دهد پیدا کنیم. حاشیه میدان مغناطیسی زمین آزمایشگاه بسیار خوبی است، چراکه تنها جایی است که ما می‌توانیم یک فضاپیما را برای مشاهده پدیده پیوند مجدد مغناطیسی به آن‌جا بفرستیم».
تا به امروز، تمرکز MMS فقط روی قسمتی از میدان مغناطیسی زمین بود که به سمت خورشید قرار داشت. در آینده، ماموریت پرواز به سمت مخالف خورشید به‌منظور شناسایی و مطالعه قسمتی از میدان مغناطیسی زمین است که به شکل قطره است و دور از خورشید قرار دارد.

منبع: Sciencedaily