موجات الرياح الشمسية

الأرجوحة التي تتأرجح على تلة ذات أسنان تتصرف بشكل غريب: بدون نبضات، تعلق في أول حفرة، ومع الضربات الإيقاعية قد تتحرك صعودًا أو هبوطًا أو تتجمد. هذا بالضبط ما رآه الفيزيائيون عندما وضعوا غبارة واحدة في مصيدة ذات قاع سنّي وبدأوا بدفعها بالتناوب بأشعة ليزر. غبارة بحجم 13 ميكرومترًا، مع نبضات خفيفة، تسارعت إلى 0.95 مم/ثانية.

على طريق ضيق تسير قافلتان باتجاه بعضهما البعض. الأولى واسعة وبطيئة، تحمل حمولة الكثافة. والأخرى سلسلة من العربات الخفيفة تحمل التيار، تنزلق بين الأولى. هكذا في تفريغ الماجنترون تتعايش بنيتان تدوران في اتجاهين متعاكسين: سنبوكة الكثافة وخيوط التيار. لفترة طويلة كان من غير الواضح كيف تخلق السنبوكة الدوارة واسعة النطاق والاضطرابية صغيرة النطاق معًا النقل الشاذ للإلكترونات عبر المجال المغناطيسي.

الإكليل الشمسي — الغلاف الجوي الخارجي للشمس، المسخّن إلى ملايين الدرجات. تظل آلية تسخينه لغزًا. أحد المرشحين هو موجات الالتواء: فهي تلف خطوط المجال المغناطيسي، مثل لفّ حبل مطاطي. وقد تمكن العلماء مؤخرًا من تسجيل هذه الموجات على التلسكوب الشمسي الجديد باسم دانيال إينوي.

ليلة في لا بالما. تلسكوب ويليام هيرشل الذي يبلغ قطره 4,2 مترًا موجه نحو الزهرة. في بؤرته، مقياس الاستقطاب (polarimeter) التجريبي ExPo، المصمم لالتقاط الضوء الشبح للكواكب الخارجية كوكب خارجي (exoplanet).

قدرٌ يغلي على نار قوية: الفقاعات تحمل حبيبات من القاع إلى السطح. آلية مشابهة تعمل على النجم النيوتروني. إذ يتراكم الهيدروجين والهيليوم من النجم المجاور، ويقوم من حين لآخر بانفجار نووي قوي — توهجًا سينيًا.

منارة ترسل إشارة عبر عاصفة من المرايا الخاصة بها — هذا تقريباً ما تفعله الدفقات الراديوية السريعة عندما تحاول مغادرة محيط المغناطيس النابض. المغناطيس النابض هو نجم نيوتروني بمجال مغناطيسي أقوى بكوادريليون مرة من مجال الأرض. داخل غلافه المغناطيسي الداخلي، تتحول موجات الراديو بتردد الغيغاهرتز إلى موجات مغناطيسية صوتية خاصة وتدخل فوراً في رنين ثلاثي.

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.

التصفيق باليدين يضغط الهواء فينتشر في كل اتجاه — هذه أبسط صدمة. في الفضاء، تلعب النجوم المنفجرة دور الكفين: موجات صدمتها تضغط الغاز فجأة وتطلق خلطًا فوضويًا — اضطرابًا. لكن كيف تتحول طاقة الانفجار بالضبط إلى دوامات بأحجام مختلفة ظل لغزًا طويلاً، إذ يصعب رؤية التفاصيل في السدم البعيدة. للنظر إلى هذه العملية، بنى الفيزيائيون نموذجًا مصغرًا.

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.

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.

تتحرك قمة شجرة ضخمة مع الريح، لكن الجذور والجذع مخفية تحت الأرض. على الشمس، تلعب الحقول المغناطيسية دور هذه الجذور غير المرئية. تخرج من الأعماق، وتخترق الغلاف الجوي بأكمله، وتتحكم في حركة الغاز الساخن – البلازما. من الصعب جدًا رؤية هذا الارتباط مباشرة، خاصة في الطبقات العليا حيث يجب أن تهيمن القوى المغناطيسية على قوى الغاز.

نجمان نيوترونيان يقتربان في مسار حلزوني ليدمجا في لحظة. رقصتهما تستمر أجزاء من الثانية، ولكن قبل النهاية مباشرة، يصطدم أحدهما بالغلاف المغناطيسي للآخر — مثل سباح يشق الماء ويرفع الأمواج. في تلك اللحظة تولد منظومة معقدة من التيارات تحمل الطاقة بعيدًا.

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.

الفضاء بين النجوم ليس فارغًا: فهو مليء بغاز مخلخل، دافئ في بعض المناطق وبارد في أخرى. الحدود بين هذه المناطق تشبه الجدران بين فقاعات الصابون. عندما يصطدم جسيم فائق الطاقة — وهو شعاع كوني — بهذا الجدار، يتغير المجال المغناطيسي هناك بشكل حاد، ويرتد الجسيم مثل كرة ترتد عن الحائط. تتبع العلماء ملايين من هذه الجسيمات في نموذج حاسوبي للمجرة.

تشبه الموجة الصدمية في الهالة الشمسية الدوي الصوتي الناتج عن طائرة، لكن بدل الهواء هناك بلازما شديدة الحرارة، وبدل الصوت هناك قفزة في الكثافة والمجال المغناطيسي. في 10 مارس 2024، مرت هذه الموجة عبر الجزء الغربي من القرص الشمسي. كانت ضعيفة لدرجة أن سرعتها تجاوزت السرعة المحلية للموجات المغناطيسية بنصف بالمائة فقط (عدد ماخ حوالي 1.005).

تتشوه الموجات الراديوية عند عبورها الهالة الشمسية — الغلاف الخارجي للشمس — تماماً كما يتماوج الهواء فوق الأسفلت الساخن. هذا التماوج ناتج عن تيارات متدفقة من الجسيمات المشحونة، أي الرياح الشمسية. وجد العلماء طريقة لتحديد سرعة الرياح وكثافة الجسيمات (غالباً البروتونات — أنوية الهيدروجين — والإلكترونات) في وقت واحد من شدة تماوج الإشارة.

فوق سطح الشمس تتدلى أشرطة طويلة من الغاز المتوهج — تُسمى الأشرطة الشمسية (streamers). تشبه قيثارات عملاقة مشدودة في الهالة الشمسية. عندما تجري موجة على مثل هذا الشريط، فإنه يرتجف وينحني، مثل وتر بعد نقر. لوقت طويل، كان يُعتقد أن مثل هذه الموجة لا يمكن أن تُطلق إلا بواسطة انبعاث سريع جدًا للمادة — ذلك الذي يطير بسرعة تتجاوز 500 كيلومتر في الثانية.

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.

حول بعض النجوم الثنائية القريبة، حيث يسحب القزم الأبيض المادة من نجمه المرافق، لاحظ علماء الفلك قوسًا مضيئًا. اعتُبر هذا القوس موجة صدمة — المكان الذي تصطدم فيه الرياح النجمية السريعة بالغاز بين النجمي. لكن الملاحظات الجديدة تُظهر أن القوس ليس واحدًا.

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.

يلتقط التلسكوب الراديوي إشارة من سديم السرطان، وبدلاً من خط مستقيم تظهر على الشاشة خطوط فاتحة وداكنة، مثل جلد الحمار الوحشي. هذا هو انبعاث النجم النابض (pulsar) — نجم نيوتروني سريع الدوران خلفه انفجار مستعر أعظم. تنشأ الخطوط لأن موجات الراديو تصل إلينا ليس عبر مسار واحد بل عبر عدة مسارات، وتتراكب مع بعضها البعض، مثل الدوائر الناتجة عن رمي حجرين في الماء.

العاشر من أكتوبر 2024. أطلقت الشمس سحابة من البلازما الممغنطة باتجاه الأرض — وقامت أربعة مركبات فضائية، تقف عند نقطة واحدة بين الشمس والأرض، بتسجيل كيفية غليان هذه السحابة في وقت واحد. المسافة بين المسبارين الأقصىين هي 80 نصف قطر أرضي فقط، أي حوالي نصف مليون كيلومتر. وبالمقاييس الكونية، هذا مثل أربعة عوامات في ميناء واحد. لكن تسجيلات العوامات كانت مختلفة.

تقذف الشمس أحيانًا سحبًا كاملة من الجسيمات المشحونة في الفضاء. عادةً، تصل أسرعها — تلك ذات الطاقة الأعلى — إلى المسبار أولاً، مثل العدّائين في سباق طويل. لكن في 5 سبتمبر 2022، رصد مسبار باركر، الذي يحلّق أقرب إلى الشمس من أي مسبار آخر، أمرًا غريبًا: جسيمات متوسطة الطاقة وصلت قبل السريعة والبطيئة على حد سواء. على الرسم البياني، يبدو هذا وكأنه «أنف» — نتوء في المنتصف حيث وصلت الجسيمات مبكرًا جدًا.

تحلق المركبتان الفضائيتان Parker Solar Probe وSolar Orbiter بالقرب من الشمس وتقيسان الرياح الشمسية — تدفق الجسيمات المشحونة الذي ينبعث باستمرار من نجمنا. في هذه الرياح توجد تعرجات حادة في المجال المغناطيسي تشبه حرف Z. في البداية بدا أن هذه التعرجات تظهر فقط حيث تكون الرياح سريعة، بينما تختفي في المنطقة البطيئة.

في تيار الجسيمات المشحونة الذي ينبعث باستمرار من الشمس، تظهر أحيانًا ومضات راديوية — إشارات قصيرة قوية على تردد يمكن التقاطه بجهاز راديو عادي. حتى الآن، كان من غير الواضح كيف تولد هذه الإشارات داخل هذا التيار. الآن، ولأول مرة، رصدت أجهزة المسبار الفضائي Solar Orbiter العملية برمتها بأم العين. الشمس تقذف حزمًا من الإلكترونات — جسيمات ذات شحنة سالبة.

كسوف الشمس الكلي هو لحظات نادرة يغطي فيها القمر القرص الشمسي المضيء، ويصبح الغلاف الجوي الخارجي للشمس، أي الإكليل، مرئيًا. في الضوء الأبيض، يمتد الإكليل لعشرات أنصاف أقطار الشمس، وتظهر في الصور بنى دقيقة: حلقات دوامية، وموجات تشبه تموجات الماء، وانبعاثات بلازما ضخمة. في السابق، كان علماء الفلك يرونها فقط بالقرب من الشمس، لأن لقطات الكسوف محدودة بمجال رؤية الكاميرا.

داخل الكواكب العملاقة مثل المشتري وزحل، لا ترتفع الحرارة دائمًا بحرية. فالعناصر الثقيلة، التي تكون أكثر وفرة في بعض الطبقات وأقل في طبقات أخرى، تمنع السائل الساخن من الصعود. وينشأ ما يسمى بالحمل الجزئي (semiconvection) — وهو خلط تنتشر فيه الحرارة والتركيب بسرعات مختلفة.

الغاز الملتهب الذي يتدفق من الشمس ليس تيارًا متواصلًا، بل هو أقرب إلى حساء من الجسيمات المشحونة. في هذا الحساء، تَغلي الموجات بين الحين والآخر: حقول كهربائية تومض وتخفت، مثل تموجات على سطح الماء عندما تُلقى فيه حصاة. إحدى هذه الموجات هي الموجة الصوتية الأيونية-الأيونية (ion-ion acoustic wave). تنشأ عندما يتحرك نوعان من الأيونات (ذرات فقدت إلكتروناتها) بسرعات مختلفة.

في البلازما شديدة الحرارة — وهي غاز من الجسيمات المشحونة — تعمل الحقول الكهربائية الفوضوية كنوع من المنخل. الجسيم البطيء يحيط نفسه بسحابة من الجسيمات ذات الشحنة المعاكسة — "معطف" من الاستقطاب يحجب الحقل الخارجي ويمنعه من التأثير على الجسيم. أما الجسيم السريع فيتحرك بسرعة كبيرة جدًا بحيث لا يستطيع الاحتفاظ بهذه السحابة، فيتخلص من "درعه" ويقع تحت التأثير المتسارع المباشر للحقل.

الرياح الشمسية ليست جدولًا هادئًا، بل حساءً فقاعيًا من الجسيمات المشحونة. مسبار باركر، الذي غاص إلى الشمس نفسها، التقط نوعين من موجات الخلط. الموجات الملتفة يسارًا، مثل مخفقة في يد طبّاخ، تخفق المادة عندما تختلف درجة الحرارة على طول الحركة وعبرها. تعصف هذه الموجات قرابة ثلث الوقت قرب النجم، مما يزيد نسبة أسرع الجسيمات - تمامًا كخلاط يدفع الرغوة إلى السطح.

تتشقق قشرة النجم المغناطيسي في غضون أجزاء من الثانية. يؤدي انزياح عميق إلى توليد موجات زلزالية تجري على السطح وتهز المجال المغناطيسي. هذا الزلزال النجمي يشبه الزلزال الأرضي، لكن على نجم نيوتروني بمجال أقوى بمقدار كوادريليون مرة من المجال الأرضي. حتى الآن، كانت نماذج الاضطرابات تقريبية: دوران واحد للسطح أو نبضة مثالية.