الظواهر المغناطيسية الشمسية

يبدأ الانهيار الثلجي في كومة رملية بحبة رمل واحدة. لا أحد يعرف أين ستتحرك بالضبط أو مدى كبر الانهيار. لكن إذا سكبت الرمل لفترة طويلة، ستصل الكومة نفسها إلى حالة تحدث فيها الانهيارات بجميع الأحجام - من الانهيارات الصغيرة إلى الانهيارات العملاقة - وفقًا لنفس القانون. يسمي الفيزيائيون هذا بالتنظيم الذاتي الحرج: نظام بدون تحكم خارجي يحافظ على نفسه عند الحد الذي قد يكون فيه كل حدث هو القشة الأخيرة.

توجد على الشمس مناطق هادئة يكون فيها المجال المغناطيسي ضعيفًا لدرجة يصعب معها رصده تقريبًا. ومع ذلك، حتى هناك، تجد الموجات الصوتية — وهي اهتزازات البلازما المشابهة للموجات الصوتية في الهواء — قنوات للصعود إلى الطبقات العليا من الغلاف الجوي.

في الإكليل الشمسي — الغلاف الخارجي الرقيق جدًا والساخن للشمس — تُلاحظ أحيانًا ظاهرة مدهشة: المطر الإكليلي. لكن بدلًا من الماء، تهطل من السماء بلازما — غاز متأين يتكون من جسيمات مشحونة.

البقعة الشمسية — جزيرة مظلمة على سطح ناري — تعيش حياة صاخبة. تحتها، في الأعماق غير المرئية، تسبح حلقات مغناطيسية عملاقة تشبه الحبال الملتوية. عندما تطفو إحدى هذه الحلقات إلى السطح، قد تفرغ شحنتها في توهج — وتقذف سحبًا من الجسيمات المشحونة إلى الفضاء. لطالما حاول العلماء فهم ما الذي يحدد قوة هذه الأحداث ومفاجأتها.

تعيش الهالة الشمسية حياة عاصفة. الحقول المغناطيسية هنا تخضع لحركات السطح الكثيف لـالشمس (الغلاف الضوئي)، لكنها أحياناً تعيد هي نفسها رسم النمط المغناطيسي. أثناء التوهجات، تلتف الحلقات الهالية - الأقواس البلازمية - وتعيد الاتصال. ثم تبدأ في فك الالتفاف، ولا يختفي الالتواء بل ينساب إلى الأسفل.

شلال لا يسخن من السقوط، بل يتجمد — هكذا تقريبًا يتصرف الغاز المتدفق نحو النجم النيوتروني في النجم النابض بالأشعة السينية عندما يكون النجم خافتًا. عادةً، تسخن المادة المتساقطة حتى التوهج الأبيض، لكن العمل الجديد يُظهر العكس.

في السحب الهائلة من الغاز المخلخل التي تملأ الفضاء بين النجوم، يغلي شيء ما باستمرار. انفجارات المستعرات العظمى، والتيارات المتصادمة — كل ذلك يهزّ البلازما. وفي هذه التموّجات، كما تبيّن، يختبئ آلية توليد الحقول المغناطيسية.

الشمس ليست مجرد كرة ملتهبة، بل أوركسترا هائلة تعمل الخيوط الشمسية فيها كأوتار - أقواس عملاقة من البلازما الكثيفة تطفو في الهالة المتوهجة. ترتجف هذه الخيوط، وكل اهتزاز هو لحن مشفر للحقول المغناطيسية. في السابق، كان علماء الفلك 'يستمعون' إلى الصور يدويًا: يضعون شقوقًا افتراضية، ويرسمون مخططات الزمن والمسافة، بحثًا عن إشارات متكررة.

التوهجات الشمسية هي انفجارات قوية على الشمس، يمكنها تعطيل الأقمار الصناعية وقطع الكهرباء عن المدن. تزداد صعوبة التنبؤ بها بسبب تعقيد المجالات المغناطيسية في البقع الشمسية. يراقب العلماء النجم عن طريق تحليل ضوئه إلى ألوانه (التحليل الطيفي) وقياس سطوعه (القياس الضوئي).

الشمس ليست مجرد مصدر للضوء، بل هي مختبر عملاق تولد فيه جسيمات شبحية. كل ثانية، تمر مليارات النيوترينوات عبر جسمك دون أن تكاد تلاحظك. لكن داخل الشمس، تتصرف هذه الجسيمات بشكل مختلف: فهي تغير نوعها أثناء الطيران، مثل ممثل يؤدي ثلاثة أدوار في مسرحية واحدة. النيوترينوات ثلاثة أنواع: إلكترونية، وميونية، وتاو.

تبرد البقعة الشمسية، ويعلق فوقها لأسابيع خيط داكن — وهو البُرْز الشمسي. داخله، مثل زنبرك مضغوط، يختبئ المجال المغناطيسي. قد يكون مرتبًا في أقواس منتظمة، أو قد يكون ملتويًا في حبل مشدود. من هذا الاختلاف يتحدد متى وكيف سينفجر: الحبل أقل استقرارًا وجاهز للانطلاق عند أدنى دفعة.

لطالما حيرت مفارقة الرياح الشمسية الفتية علماء الفيزياء الشمسية. أظهرت القياسات أن حزم البروتونات قرب الشمس ليست متشتتة، بل مضغوطة وكأن شخصًا ما شكلها بعناية على هيئة رأس مطرقة.

الشمس مرجل يغلي من الهيدروجين والهيليوم، حيث يُحتجز الغاز المتوهج في شرك مغناطيسي. عندما تعيد الحبال غير المرئية الاتصال، تتحرر طاقة تضاهي مليارات الانفجارات النووية الحرارية. أين تذهب هذه الطاقة؟ تحليل جديد لأرشيف هينودي يرسم صورة غير متوقعة: عند قاعدة التوهج، تصطف أيونات العناصر الثقيلة كالنمل على درب.

في ديسمبر 2011، انطلق المذنب لوفجوي بجرأة عبر الهالة المتوهجة لـالشمس. وبعدها مباشرةً — توهج. تحقق العلماء مما إذا كان المذنب قادرًا على التسبب فيه. الغلاف الجوي لـالشمس مليء بحلقات مغناطيسية مشدودة — مثل وتر القوس المشدود. أثناء مروره، يلمس المذنب هذا الوتر برفق، فيطلق سهمًا — دفقة هائلة من الطاقة.

مرجل هائل يكاد يكون خامدًا في أغلب الأحيان، لكنه أحيانًا يقذف حزمًا من الشرارات. هذا تقريبًا سلوك الثقب الأسود الهائل في مركز مجرتنا — الجسم الرامي القوس A*. تبلغ كتلته أربعة ملايين ضعف كتلة الشمس، ويبعد عنا مسافة 26 ألف سنة ضوئية.

طبقة رقيقة من الزيت على سطح الماء تتمزق إلى قطرات منفصلة عند أدنى اهتزاز. شيء مشابه يحدث في رياح النجم النابض — وهو تدفق من الجسيمات يقذفه نجم نيوتروني سريع الدوران. في هذا التدفق توجد أيضًا طبقات من البلازما، ويمكن أن تتفكك إلى كتل — جزر مغناطيسية. ولكن، على عكس الزيت، تحمل هذه الطبقات شحنة كهربائية.

في الهالة الشمسية الملتهبة، حيث تتجاوز درجة الحرارة المليون درجة، تطفو سحب باردة كثيفة — الانتفاخات الشمسية الشمسية. تعلق لأسابيع دون أن تسقط أو تذوب، مثل جبال جليدية في محيط يغلي. كيف وصلت إلى هناك؟ سؤال ظل يحير علماء الفلك لعقود. محاكاة ثلاثية الأبعاد جديدة غطت جميع طبقات الغلاف الجوي الشمسي ولأول مرة أظهرت المسار الكامل من السطح إلى الهالة.

الرياح الشمسية — وهي تيار من الجسيمات المشحونة القادمة من الشمس — تصطدم بالغاز المخلخل الذي يملأ الفضاء بين النجوم. وينشأ عن هذا الاصطدام توهج ضعيف في الأشعة السينية. بالنسبة لعلماء الفلك، هذا التوهج أشبه بضباب أمام مصابيح السيارة الأمامية: فهو يحجب رؤية الأجسام البعيدة.

غالباً ما توجد الكواكب بحجم الأرض حول الأقزام الحمراء الصغيرة والباردة ولكنها شديدة الاضطراب. فهذه النجوم تشبه موقداً جامحاً يقذف لهباً بين الحين والآخر: تيارات قوية من الضوء والجسيمات تنهال على غلاف الكوكب الجوي كما لو أن النار صُبّت في قدرٍ من المرق. وقد تتبعت محاكاة حاسوبية جديدة سنة من حياة الغلاف الجوي لكوكب فتي تحت هذه الهجمات.

يندفع تيار من الغاز شديد الحرارة من النجم — وفجأة يتوقف، وكأنه اصطدم بجدار غير مرئي. هذا بالضبط ما رآه الباحثون عندما حاولوا إعادة إنتاج الانبعاث النجمي على نطاق مخبري. استخدموا ليزرًا، فأنشأوا نفاثة بلازما وأطلقوها عبر مجال مغناطيسي — أولاً ضعيف، ثم قوي، مثل مجالات النجوم الكثيرة. مع المجال الضعيف (حوالي 30 غاوس عند ترجمته إلى الظروف النجمية) طارت البلازما بحرية.

الرياح الشمسية ليست تيارًا منتظمًا، بل هي أشبه برياح عاصفة. داخلها، لا تطير البروتونات ونوى الهيليوم بسرعة واحدة، بل بتوزع، مثل قطرات الماء في خرطوم. عادةً ما يُوصف هذا التوزع بمنحنى بسيط على شكل جرس. لكن الأجهزة الدقيقة على المسبار Solar Orbiter أظهرت أن توزع السرعات في الواقع متعرج بدرجات صغيرة وتلال صغيرة. هذه التعرجات ليست تفاصيل هامشية.

المادة المظلمة — مادة غير مرئية تمنع المجرات من التبعثر. إذا اضمحلت جسيماتها أحياناً قرب الشمس، فإنها تقذف تيارات من الجسيمات السريعة — كأنها مطارق غير مرئية تصدم الضوء. كل صدمة تحوّل جسيماً من ضوء الشمس إلى شعاع غاما — وميض فائق القوة يمكن للتلسكوبات رصده.

أثناء العاصفة الرعدية تعمل السماء كبطارية عملاقة: تتراكم الشحنة الكهربائية في السحابة، ويُفرّغها البرق. هذه الشحنة غير مرئية، لكن الجسيمات الكونية — الميونات التي تتساقط باستمرار على الأرض من الفضاء — تشعر بها. فعندما يمر الميون عبر سحابة مشحونة، يتسارع أو يتباطأ قليلًا، ومن هذه التغيرات يمكن استنتاج الجهد الكهربائي في السحابة.

تظهر أحيانًا على الشمس سحب هائلة من البلازما تحاول الاندلاع إلى الفضاء. لكنها غالبًا لا تنجح في ذلك: قفص مغناطيسي غير مرئي يبقيهم قرب السطح. تسمى هذه الاندلاعات الفاشلة "محبوسة". بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا لفهم كيفية عمل هذا القفص بالضبط.

في السحابة المظلمة G351، حيث توشك نجوم جديدة على الظهور من الغاز والغبار، انحنى المجال المغناطيسي مثل الساعة الرملية. هذا الشكل هو دليل على أن المجال لا يراقب ولادة النجوم فحسب، بل يشارك فيها بنشاط. استخدم العلماء تلسكوب SOFIA المثبت على طائرة لرؤية الغبار في السحابة. تصطف حبيبات الغبار على طول خطوط المجال المغناطيسي، ومن توهجها يمكن تحديد اتجاه المجال.

الهالة الشمسية تشبه زهرة الهندباء الأشعث: حلقات بتلاتية مشرقة تمسك الغاز الساخن قرب السطح، وبينها تنطلق في الفضاء نفاثات طويلة متخلخلة. هذه النفاثات — وهي طبقة التيار الهيليوسفيري (heliospheric current sheet) — تمتد عبر النظام الشمسي بأكمله. لكن كيف تنتقل البلازما بالضبط من الحلقات المغلقة إلى التدفق المفتوح، ظل لغزًا.

توجد على سطح الشمس بقع داكنة — مناطق ذات مجال مغناطيسي قوي جدًا يكبح غليان الغاز الملتهب. ومن وقت لآخر تجتاز الغلاف الجوي للبقعة موجات صادمة — مثل هبة ريح تضغط الهواء أمامها. عندها يتوهج الغاز ساطعًا لفترة قصيرة، ويطلق علماء الفلك على هذه الأحداث اسم التوهجات الظلية (umbral flashes). رصد العلماء خمس بقع مختلفة باستخدام تلسكوب GREGOR وجهاز GRIS.

النجم النابض بالأشعة السينية قنطورس X-3 هو نجم نيوتروني يدور بسرعة ويصدر نبضات من الأشعة السينية مثل المنارة. وجّه العلماء إليه ثلاثة تلسكوبات فضائية ودرسوا استقطاب الإشعاع — أي كيفية اهتزاز المجال الكهربائي لموجة الضوء. وتبين أن هذا الاستقطاب يتصرف بشكل متقلب للغاية: زاويته تتغير مع طاقة الفوتونات ومع طور النبض.

يشبه التوهج الشمسي قصر الدارة في لوحة إعلانية نيون عملاقة. داخل الشمس، تلتف المجالات المغناطيسية في حلقات كأنها أربطة مطاطية، وعندما تعيد الاتصال، تنطلق الطاقة إلى الفضاء. جزء منها يتحول إلى أشعة سينية صلبة تنتجها جسيمات تسارعت إلى سرعة تقارب سرعة الضوء.

الأشعة الكونية هي جسيمات مشحونة تصل إلينا من انفجارات نجوم بعيدة. لكن قبل أن تصل إلى الكاشف، تمر عبر فقاعة الرياح الشمسية. الشمس تتنفس: تارة تنفخ هذه الفقاعة، وتارة تضغطها. على الجسيمات أن تشقّ طريقها عبر مجال مغناطيسي متغير، مثل سبّاح يعوم ضد تيار يتعاظم تارة ويضعف تارة أخرى.

إذا ألقيت حجرًا في بركة، ستنتشر دوائر على الماء. في بلورة مغناطيسية صغيرة أيضًا توجد موجات — لكن ما يهتز ليس الماء، بل اتجاه المغنطة. تُسمى هذه الموجات بالموجات المغزلية (spin waves). تجري عبر البلورة مثل تموجات على السطح، ويمكنها حمل المعلومات. أخذ الفيزيائيون صفيحة من حديقة الإيتريوم الحديدية — وهي بلورة برتقالية شفافة تُقدَّر لنقاء تذبذباتها المغناطيسية.

التوهج الشمسي يشبه نابضًا عملاقًا يُلف ويُلف ثم ينفرج فجأة. الطاقة المختزنة في المجال المغناطيسي تُقذف في الفضاء خلال دقائق، مسخنةً البلازما إلى ملايين الدرجات. لكن ما يحدث بالضبط داخل حلقة الغاز الملتهب في تلك اللحظة ظل حتى الآن مرئيًا فقط في إسقاطات مستوية. الآن، جمع علماء الفلك صورة ثلاثية الأبعاد.

يطير جهازان قديمان، أُطلقا في عام 1977، عبر الفضاء بين النجمي — المنطقة التي ينتهي عندها تأثير الشمس. الشمس لا تضيء فحسب؛ بل تنفث باستمرار تيارًا من الجسيمات المشحونة يشكل حول نظامنا فقاعة عملاقة تُعرف بالغلاف الشمسي (heliosphere).

تحدث على الشمس بين الحين والآخر انفجارات تقذف إلى الفضاء سحبًا هائلة من الجسيمات المشحونة. تندفع هذه السحب نحو الأرض وقد تعطل الأقمار الصناعية وتشوش الاتصالات اللاسلكية بل وتترك المدن بدون كهرباء. ظل العلماء لفترة طويلة غير قادرين على فهم سبب عدم بدء هذه الانبعاثات فورًا، بل يبدو أنها تتردد قبل الانقضاض.

تقذف الشمس من وقت لآخر سحبًا هائلة من البلازما إلى الفضاء - وهي الانبعاثات الكتلية الإكليلية. وغالبًا ما تتشابك داخل هذه السحب بارزات شمسية - وهي كتل أكثر برودة وكثافة من المادة. وهي تحتوي على الكثير من الذرات المحايدة التي تتوهج بشكل ساطع في خطوط طيفية معينة. استخدم علماء الفلك جهاز UCoMP، الذي يقيس استقطاب الضوء في خط الهيليوم تحت الأحمر عند طول موجة 1083 نانومتر.

الشمس لا تضيء فحسب، بل تبعث باستمرار تيارات من الجسيمات الدقيقة، النيوترينوات. تولد هذه الجسيمات في التفاعلات النووية الحرارية في القلب وتمر عبر النجم دون عوائق تقريبًا. ولكن داخل الشمس توجد مجالات مغناطيسية يمكنها التأثير على هذه الجسيمات، مثل ممرات غير مرئية تحرف مسارها قليلًا.

التوهج الشمسي يشبه الانفراج المفاجئ لزنبرك ملفوف بإحكام. في الهالة الشمسية، تتراكم الطاقة في مجال مغناطيسي منحني، ثم تنطلق فجأة، مما يسرع الجسيمات ويسخن البلازما. لكن رؤية كيفية تغير المجال المغناطيسي نفسه أثناء التوهج أمر نادر الحدوث: فهو يتطلب رصدًا خاصًا.

في الأول من أكتوبر 2024، حدث على الشمس توهج من الفئة X7.1 — وهو من أقوى التوهجات. راقبت مركبتان فضائيتان، HXI وSTIX، التوهج من جهتين مختلفتين، كعينين، وبمساعدة نموذج حاسوبي، أعادتا بناء الصورة ثلاثية الأبعاد. في ذروة التوهج، ومض إشعاع الأشعة السينية مرتين، وفي كل مرة ظهرت بقع ساطعة على سطح الشمس في أماكن مختلفة.

تبعث الشمس باستمرار تيارًا من الجسيمات المشحونة، يتكون أساسًا من الهيدروجين – الرياح الشمسية. أحيانًا تقذف الشمس كتلًا كثيفة من الغاز الممغنط، يسود داخلها الهدوء عادةً. لكن في عام 2000، لاحظ العلماء في إحدى هذه السحب منطقتين يضطرب فيهما الغاز.

النجم الصغير يشبه الدوامة متعددة الطبقات: طبقاته الخارجية تدور ببطء، والداخلية أسرع. المجال المغناطيسي هنا يشبه خيوطاً قوية تربط هذه الطبقات. عندما تختلف السرعات، تبدأ الخيوط بالالتواء والتمدد أكثر فأكثر. وفي لحظة ما تنقطع، فيتحطم المجال البسيط ثنائي القطب (مثل المغناطيس المستقيم) ويحل محله مجال ضعيف وفوضوي.