الفيزياء الصغيرة وراء الانفجارات الكونية الهائلة

خلال النوبات العابرة ، تقذف الشمس أحيانًا كمية هائلة من الطاقة في الفضاء. تدوم هذه الانفجارات ، التي يطلق عليها التوهجات الشمسية ، دقائق معدودة ، ويمكن أن تؤدي إلى انقطاع التيار الكارثي والشفق القطبي المذهل على الأرض. لكن نظرياتنا الرياضية الرائدة لكيفية عمل هذه التوهجات تفشل في التنبؤ بقوة وسرعة ما نلاحظه.

في قلب هذه الانفجارات توجد آلية تحول الطاقة المغناطيسية إلى انفجارات قوية من الضوء والجزيئات. يتم تحفيز هذا التحول من خلال عملية تسمى إعادة الاتصال المغناطيسي ، حيث تنكسر الحقول المغناطيسية المتصادمة وتعيد اصطفافها على الفور ، وتقذف المواد في الكون. بالإضافة إلى تشغيل التوهجات الشمسية ، قد تعمل إعادة الاتصال على تشغيل الجسيمات السريعة عالية الطاقة التي تقذفها النجوم المتفجرة ، ووهج النفاثات من الثقوب السوداء الذائبة ، والرياح المستمرة التي تهبها الشمس.

على الرغم من انتشار هذه الظاهرة في كل مكان ، فقد كافح العلماء لفهم كيفية عملها بكفاءة. تقترح نظرية حديثة أنه عندما يتعلق الأمر بحل ألغاز إعادة الاتصال المغناطيسي ، تلعب الفيزياء الصغيرة دورًا كبيرًا. على وجه الخصوص ، يشرح لماذا تكون بعض أحداث إعادة الاتصال سريعة بشكل مذهل – ولماذا يبدو أن الأقوى يحدث بسرعة مميزة. يمكن أن يساعد فهم التفاصيل الفيزيائية الدقيقة لإعادة الاتصال الباحثين على بناء نماذج أفضل لهذه الانفجارات النشطة وإدراك نوبات الغضب الكونية.

قال هانتاو جي ، عالم فيزياء البلازما في جامعة برينستون ، والذي لم يشارك في الدراسة: “حتى الآن ، هذه أفضل نظرية يمكنني رؤيتها”. “إنه إنجاز كبير.”

التحسس بالسوائل

توجد جميع المواد المعروفة في الكون تقريبًا على شكل بلازما ، وهي عبارة عن حساء ناري من الغاز حيث أدت درجات الحرارة الجهنمية إلى تجريد الذرات وتحويلها إلى جسيمات مشحونة. أثناء تحركها ، تولد هذه الجسيمات مجالات مغناطيسية ، والتي بدورها توجه حركات الجسيمات. يؤدي هذا التفاعل الفوضوي إلى إحداث فوضى مختلطة من خطوط المجال المغناطيسي التي ، مثل الأربطة المطاطية ، تخزن المزيد والمزيد من الطاقة أثناء شدها وتواءها.

في الخمسينيات من القرن الماضي ، اقترح العلماء تفسيرًا لكيفية إخراج البلازما لطاقتها المكبوتة ، وهي العملية التي سميت بإعادة الاتصال المغناطيسي. عندما تتصادم خطوط المجال المغناطيسي التي تشير في اتجاهين متعاكسين ، فإنها يمكن أن تلتقط وتتقاطع ، وتطلق الجزيئات مثل المقلاع على الوجهين.

لكن هذه الفكرة كانت أقرب إلى لوحة تجريدية من نموذج رياضي كامل. أراد العلماء فهم تفاصيل كيفية عمل العملية – الأحداث التي تؤثر على الانجذاب ، وسبب إطلاق الكثير من الطاقة. لكن التفاعل الفوضوي للغاز الساخن والجسيمات المشحونة والمجالات المغناطيسية يصعب ترويضه رياضيًا.

أول نظرية كمية ، وصفها عالما الفيزياء الفلكية بيتر سويت ويوجين باركر عام 1957 ، تعالج البلازما كسوائل ممغنطة. يقترح أن تصادمات الجسيمات ذات الشحنة المعاكسة تجتذب خطوط المجال المغناطيسي وتطلق سلسلة جامحة من أحداث إعادة الاتصال. تتنبأ نظريتهم أيضًا بأن هذه العملية تحدث بمعدل معين. تتطابق معدلات إعادة الاتصال التي لوحظت في البلازما المزورة المخبرية الضعيفة نسبيًا مع تنبؤاتها ، كما هو الحال مع معدلات النفاثات الأصغر في الطبقات السفلى من الغلاف الجوي للشمس.

لكن التوهجات الشمسية تطلق الطاقة بسرعة أكبر بكثير مما تستطيع نظرية سويت وباركر تفسيره. وبحسب حساباتهم ، يجب أن تستمر تلك التوهجات على مدى شهور بدلاً من دقائق.

في الآونة الأخيرة ، حددت الملاحظات من الأقمار الصناعية للغلاف المغناطيسي التابعة لوكالة ناسا أن إعادة الاتصال الأسرع هذه تحدث بالقرب من المنزل ، في المجال المغناطيسي للأرض. تؤكد هذه الملاحظات ، جنبًا إلى جنب مع الأدلة المستمدة من عقود من عمليات المحاكاة الحاسوبية ، معدل إعادة الاتصال “السريع” هذا: في البلازما الأكثر نشاطًا ، تحدث إعادة الاتصال بمعدل 10 بالمائة تقريبًا من السرعة التي تنتشر بها الحقول المغناطيسية – وهي أوامر من حيث الحجم أسرع مما تتنبأ به نظرية سويت وباركر. .