16.4: التصميم الداخلي الشمسي - ملاحظات
- Page ID
- 197058
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- اشرح كيف تنبض الشمس
- اشرح ما هو علم الزلازل الشمسية وما يمكن أن يخبرنا به عن التصميم الداخلي الشمسي
- ناقش كيف ساعدت دراسة النيوترينوات من الشمس على فهم النيوترينوات
تذكر أنه عندما نلاحظ الغلاف الضوئي للشمس (الطبقة السطحية التي نراها من الخارج)، فإننا لا نرى بعمق شديد في نجمنا، وبالتأكيد ليس في المناطق التي يتم فيها توليد الطاقة. لهذا السبب يجب أن يبدو عنوان هذا القسم - ملاحظات الجزء الداخلي الشمسي - مفاجئًا للغاية. ومع ذلك، ابتكر علماء الفلك بالفعل نوعين من القياسات التي يمكن استخدامها للحصول على معلومات حول الأجزاء الداخلية للشمس. تتضمن إحدى التقنيات تحليل التغييرات الصغيرة في حركة المناطق الصغيرة على سطح الشمس. يعتمد الآخر على قياس النيوترينوات المنبعثة من الشمس.
نبضات شمسية
اكتشف علماء الفلك أن الشمس تنبض - أي أنها تتمدد وتتقلص بالتناوب - تمامًا كما يتمدد صدرك ويتقلص أثناء التنفس. هذا النبض طفيف جدًا، ولكن يمكن اكتشافه عن طريق قياس السرعة الشعاعية للسطح الشمسي - السرعة التي يتحرك بها نحونا أو بعيدًا عنا. يُلاحظ أن سرعات المناطق الصغيرة على الشمس تتغير بطريقة منتظمة، أولاً نحو الأرض، ثم بعيدًا، ثم نحو، وما إلى ذلك. يبدو الأمر كما لو كانت الشمس «تتنفس» عبر آلاف الرئتين الفردية، ولكل منها حجم يتراوح بين 4000 و 15000 كيلومتر، وتتقلب كل منها ذهابًا وإيابًا (الشكل\(\PageIndex{1}\)).
تبلغ السرعة النموذجية لإحدى المناطق المتذبذبة على الشمس بضع مئات من الأمتار في الثانية فقط، ويستغرق الأمر حوالي 5 دقائق لإكمال دورة كاملة من السرعة القصوى إلى السرعة الدنيا والعودة مرة أخرى. لا يتجاوز التغيير في حجم الشمس المقاسة في أي نقطة معينة بضعة كيلومترات.
الشيء الرائع هو أنه يمكن استخدام هذه الاختلافات الصغيرة في السرعة لتحديد شكل الجزء الداخلي من الشمس. تحدث حركة سطح الشمس بسبب الموجات التي تصل إليها من أعماق الداخل. توفر دراسة سعة وطول دورة تغيرات السرعة معلومات حول درجة الحرارة والكثافة وتكوين الطبقات التي مرت من خلالها الموجات قبل وصولها إلى السطح. يشبه الوضع إلى حد ما استخدام الموجات الزلزالية الناتجة عن الزلازل لاستنتاج خصائص باطن الأرض. لهذا السبب، يشار إلى دراسات التذبذبات الشمسية (الحركات ذهابًا وإيابًا) باسم علم الزلازل الشمسية.
يستغرق الأمر ما يزيد قليلاً عن ساعة حتى تعبر الأمواج الشمس من المركز إلى السطح، لذلك توفر الموجات، مثل النيوترينوات، معلومات حول شكل الجزء الداخلي الشمسي في الوقت الحالي. في المقابل، تذكر أن ضوء الشمس الذي نراه اليوم يخرج من الشمس قد تولد بالفعل في النواة منذ عدة مئات الآلاف من السنين.
أظهر علم الزلازل الشمسي أن الحمل الحراري يمتد إلى الداخل من السطح بنسبة 30٪ من الطريق نحو المركز؛ لقد استخدمنا هذه المعلومات في الرسم\(16.3.6\) في القسم 16.3. تُظهر قياسات النبض أيضًا أن الدوران التفاضلي الذي نراه على سطح الشمس، مع حدوث أسرع دوران عند خط الاستواء، يستمر لأسفل عبر منطقة الحمل الحراري. ومع ذلك، تحت المنطقة الحرارية، تدور الشمس، على الرغم من أنها غازية في جميع الأنحاء، كما لو كانت جسمًا صلبًا مثل كرة البولينج. نتيجة أخرى من علم الزلازل الشمسية هي أن وفرة الهيليوم داخل الشمس، باستثناء المركز حيث حولت التفاعلات النووية الهيدروجين إلى هيليوم، هي نفسها تقريبًا على سطحه. هذه النتيجة مهمة لعلماء الفلك لأنها تعني أننا على صواب عندما نستخدم وفرة العناصر المقاسة في الغلاف الجوي الشمسي لبناء نماذج من الداخل الشمسي.
يسمح علم الزلازل الشمسي أيضًا للعلماء بالنظر تحت بقعة الشمس ومعرفة كيفية عملها. في فيلم The Sun: A Garden-Variety Star، قلنا إن البقع الشمسية باردة لأن المجالات المغناطيسية القوية تمنع التدفق الخارجي للطاقة. \(\PageIndex{2}\)يوضح الشكل كيفية تحرك الغاز تحت بقعة شمسية. تتدفق المواد الباردة من بقعة الشمس إلى الأسفل، ويتم سحب المواد المحيطة ببقعة الشمس إلى الداخل، مع حمل المجال المغناطيسي معها وبالتالي الحفاظ على المجال القوي الضروري لتشكيل بقعة شمسية. عندما تدخل المادة الجديدة منطقة البقع الشمسية، فإنها تبرد أيضًا وتصبح أكثر كثافة وتغرق، وبالتالي تنشئ دورة تدوم ذاتيًا يمكن أن تستمر لأسابيع.
تعمل المادة الباردة المتدفقة نحو الأسفل كنوع من المقابس التي تمنع التدفق التصاعدي للمواد الساخنة، والتي يتم بعد ذلك تحويلها جانبيًا وتصل في النهاية إلى السطح الشمسي في المنطقة المحيطة بالبقع الشمسية. يفسر هذا التدفق الخارجي للمواد الساخنة المفارقة التي وصفناها في The Sun: A Garden-Variety Star - وهي أن الشمس تنبعث منها طاقة أكثر قليلاً عندما يتم تغطية المزيد من سطحها ببقع شمسية باردة.
أصبح علم الزلازل الشمسي أداة مهمة للتنبؤ بالعواصف الشمسية التي قد تؤثر على الأرض. يمكن أن تظهر المناطق النشطة وتنمو بشكل كبير في غضون أيام قليلة فقط. تبلغ فترة الدوران الشمسي حوالي 28 يومًا. لذلك، يمكن أن تتطور المناطق القادرة على إنتاج التوهجات الشمسية والقذفات الكتلية الإكليلية على الجانب البعيد من الشمس، حيث لم نتمكن من رؤيتها مباشرة لفترة طويلة.
لحسن الحظ، لدينا الآن تلسكوبات فضائية تراقب الشمس من جميع الزوايا، لذلك نعرف ما إذا كانت هناك بقع شمسية تتشكل على الجانب الآخر من الشمس. علاوة على ذلك، تنتقل الموجات الصوتية بشكل أسرع قليلاً في المناطق ذات المجال المغناطيسي العالي، وتجتاز الموجات المتولدة في المناطق النشطة الشمس أسرع بحوالي 6 ثوانٍ من الموجات المتولدة في المناطق الهادئة. من خلال اكتشاف هذا الاختلاف الدقيق، يمكن للعلماء تقديم تحذيرات لمدة أسبوع أو أكثر لمشغلي المرافق الكهربائية والأقمار الصناعية حول الوقت الذي قد تدور فيه منطقة نشطة يحتمل أن تكون خطرة في الأفق. من خلال هذا التحذير، من الممكن التخطيط للاضطرابات، أو وضع الأدوات الرئيسية في الوضع الآمن، أو إعادة جدولة عمليات المشي في الفضاء من أجل حماية رواد الفضاء.
نيوترينوات شمسية
تتضمن التقنية الثانية للحصول على معلومات حول الجزء الداخلي للشمس اكتشاف عدد قليل من تلك النيوترينوات المراوغة التي تم إنشاؤها أثناء الاندماج النووي. تذكر من مناقشتنا السابقة أن النيوترينوات التي تم إنشاؤها في مركز الشمس تشق طريقها مباشرة خارج الشمس وتسافر إلى الأرض بسرعة الضوء تقريبًا. فيما يتعلق بالنيوترينوات، فإن الشمس شفافة.
يتم نقل حوالي 3٪ من إجمالي الطاقة الناتجة عن الاندماج النووي في الشمس بواسطة النيوترينوات. تتفاعل العديد من البروتونات وتشكل نيوترينوات داخل قلب الشمس لدرجة أن العلماء يقدرون أن 35 مليون\(3.5 × 10^{16}\) نيوترينوات شمسية تمر عبر كل متر مربع من سطح الأرض كل ثانية. إذا تمكنا من ابتكار طريقة لاكتشاف حتى عدد قليل من هذه النيوترينوات الشمسية، فيمكننا الحصول على معلومات مباشرة حول ما يحدث في مركز الشمس. لسوء الحظ بالنسبة لأولئك الذين يحاولون «التقاط» بعض النيوترينوات، فإن الأرض وكل شيء عليها يتسمون أيضًا بالشفافية تقريبًا لتمرير النيوترينوات، تمامًا مثل الشمس.
ولكن في حالات نادرة جدًا، ستتفاعل واحدة من مليارات ومليارات النيوترينوات الشمسية مع ذرة أخرى. أول اكتشاف ناجح للنيوترينوات الشمسية تم باستخدام سائل التنظيف (\(\ce{C2Cl4}\))، وهي الطريقة الأقل تكلفة لجمع الكثير من ذرات الكلور معًا. يمكن تحويل نواة ذرة الكلور (Cl) في سائل التنظيف إلى نواة أرجون مشعة من خلال التفاعل مع النيوترينو. نظرًا لأن الأرجون مشع، يمكن اكتشاف وجوده. ومع ذلك، نظرًا لأن تفاعل النيوترينو مع الكلور نادرًا ما يحدث، فهناك حاجة إلى كمية كبيرة من الكلور.
ريموند ديفيس جونيور (الشكل\(\PageIndex{3}\)) وزملاؤه في مختبر بروكهافن الوطني، وضعوا خزانًا يحتوي على ما يقرب من 400,000 لتر من سائل التنظيف على بعد 1.5 كيلومتر تحت سطح الأرض في منجم ذهب في ليد بولاية ساوث داكوتا. تم اختيار منجم بحيث تمنع المواد المحيطة بالأرض الأشعة الكونية (الجسيمات عالية الطاقة من الفضاء) من الوصول إلى سائل التنظيف وخلق إشارات خاطئة. (يتم إيقاف جزيئات الأشعة الكونية بواسطة طبقات سميكة من الأرض، لكن النيوترينوات تجدها بلا أهمية.) تظهر الحسابات أن النيوترينوات الشمسية يجب أن تنتج حوالي ذرة واحدة من الأرجون المشع في الخزان كل يوم.
كان هذا مشروعًا رائعًا: لقد أحصوا ذرات الأرجون مرة واحدة شهريًا تقريبًا - وتذكروا أنهم كانوا يبحثون عن حفنة صغيرة من ذرات الأرجون في خزان ضخم من ذرات الكلور. عندما قيل وفعل كل شيء، اكتشفت تجربة ديفيس، التي بدأت في عام 1970، حوالي ثلث عدد النيوترينوات فقط كما تنبأت به النماذج الشمسية! كانت هذه نتيجة مروعة لأن علماء الفلك اعتقدوا أن لديهم فهمًا جيدًا لكل من النيوترينوات وداخل الشمس. لسنوات عديدة، تصارع علماء الفلك والفيزيائيون مع نتائج ديفيس، في محاولة لإيجاد طريقة للخروج من معضلة النيوترينوات «المفقودة».
في النهاية تم تفسير نتيجة ديفيس من خلال الاكتشاف المفاجئ لوجود ثلاثة أنواع من النيوترينوات بالفعل. ينتج الاندماج الشمسي نوعًا واحدًا فقط من النيوترينو، وهو ما يسمى نيوترينو الإلكترون، وقد تم تصميم التجارب الأولية للكشف عن النيوترينوات الشمسية للكشف عن هذا النوع. أظهرت التجارب اللاحقة أن هذه النيوترينوات تتغير إلى نوع مختلف أثناء رحلتها من مركز الشمس عبر الفضاء إلى الأرض في عملية تسمى تذبذب النيوترينو.
كانت التجربة، التي أجريت في مرصد Sudbury Neutrino في كندا، أول تجربة مصممة لالتقاط جميع الأنواع الثلاثة من النيوترينوات (الشكل\(\PageIndex{4}\)). تم تحديد موقع التجربة في منجم على بعد كيلومترين تحت الأرض. يتكون كاشف النيوترينو من كرة بلاستيكية أكريليك شفافة قطرها 12 مترًا، تحتوي على 1000 طن متري من الماء الثقيل. تذكر أن نواة الماء العادية تحتوي على ذرتي هيدروجين وذرة أكسجين واحدة. بدلاً من ذلك، يحتوي الماء الثقيل على ذرتين من الديوتيريوم وذرة أكسجين واحدة، ويمكن للنيوترينوات الواردة أحيانًا أن تفكك البروتون والنيوترون المرتبطان بشكل فضفاض واللذان يشكلان نواة الديوتيريوم. كانت كرة الماء الثقيل محاطة بدرع من 1700 طن متري من الماء النقي جدًا، والذي كان بدوره محاطًا بـ 9600 مضاعف ضوئي، وهو جهاز يكتشف ومضات الضوء الناتجة بعد تفاعل النيوترينوات مع الماء الثقيل.
لقد اكتشفت تجربة Sudbury حوالي 1 نيوترينو في الساعة، وأظهرت أن العدد الإجمالي للنيوترينوات التي تصل إلى الماء الثقيل هو بالضبط ما تتنبأ به النماذج الشمسية. ومع ذلك، فإن ثلث هذه الأنواع فقط عبارة عن نيوترينوات إلكترونية. يبدو أن ثلثي نيوترينوات الإلكترون التي تنتجها الشمس تتحول إلى أحد الأنواع الأخرى من النيوترينوات وهي تشق طريقها من قلب الشمس إلى الأرض. هذا هو السبب في أن التجارب السابقة شهدت فقط ثلث عدد النيوترينوات المتوقعة.
على الرغم من أن هذا ليس واضحًا بشكل بديهي، إلا أن تذبذبات النيوترينو هذه لا يمكن أن تحدث إلا إذا كانت كتلة النيوترينو الإلكترون ليست صفرية. تشير تجارب أخرى إلى أن كتلتها صغيرة (حتى بالمقارنة مع الإلكترون). تم منح جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2015 للباحثين تاكاكي كاجيتا وآرثر بي ماكدونالد لعملهم في تحديد الطبيعة المتغيرة للنيوترينوات. (تقاسم ريموند ديفيس جائزة نوبل لعام 2002 مع ماساتوشي كوشيبا الياباني للتجارب التي أدت إلى فهمنا لمشكلة النيوترينو في المقام الأول.) لكن حقيقة أن النيوترينو له كتلة على الإطلاق لها آثار عميقة على كل من الفيزياء وعلم الفلك. على سبيل المثال، سننظر إلى الدور الذي تلعبه النيوترينوات في جرد كتلة الكون في The Big Bang.
كشفت تجربة Borexino، وهي تجربة دولية أجريت في إيطاليا، عن نيوترينوات قادمة من الشمس تم تحديدها على أنها تأتي من تفاعلات مختلفة. في حين أن سلسلة p-p هي التفاعل الذي ينتج معظم طاقة الشمس، فهي ليست التفاعل النووي الوحيد الذي يحدث في قلب الشمس. هناك تفاعلات جانبية تشمل نوى عناصر مثل البريليوم والبورون. من خلال فحص عدد النيوترينوات التي تأتي من كل تفاعل، ساعدتنا تجربة Borexino في تأكيد فهمنا للاندماج النووي في الشمس بالتفصيل. في عام 2014، حددت تجربة Borexino أيضًا النيوترينوات التي تم إنتاجها بالخطوة الأولى في سلسلة p-p، مما يؤكد نماذج علماء الفلك الشمسي.
إنه لأمر مدهش أن سلسلة من التجارب التي بدأت بسائل تنظيف كافٍ لملء حوض سباحة أدت إلى هدم أعمدة منجم ذهب قديم تعلمنا الآن عن مصدر طاقة الشمس وخصائص المادة! هذا مثال جيد على كيفية استمرار التجارب في علم الفلك والفيزياء، إلى جانب أفضل النماذج النظرية التي يمكننا ابتكارها، في إحداث تغييرات أساسية في فهمنا للطبيعة.
المفاهيم الأساسية والملخص
يمكن أن توفر دراسات التذبذبات الشمسية (علم الزلازل الشمسية) والنيوترينوات بيانات رصدية حول المناطق الداخلية للشمس. أظهرت تقنية علم الزلازل الشمسية حتى الآن أن تكوين الجزء الداخلي يشبه إلى حد كبير تكوين السطح (باستثناء النواة، حيث تم تحويل بعض الهيدروجين الأصلي إلى هيليوم)، وأن منطقة الحمل الحراري تمتد حوالي 30٪ من الطريق من سطح الشمس إلى مركزها. يمكن لعلم الزلازل الشمسية أيضًا اكتشاف المناطق النشطة على الجانب البعيد من الشمس وتقديم تنبؤات أفضل للعواصف الشمسية التي قد تؤثر على الأرض. تخبرنا النيوترينوات من مكالمة الشمس عما يحدث في المناطق الداخلية الشمسية. أظهرت تجربة حديثة أن النماذج الشمسية تتنبأ بدقة بعدد نيوترينوات الإلكترون التي تنتجها التفاعلات النووية في قلب الشمس. ومع ذلك، يتم تحويل ثلثي هذه النيوترينوات إلى أنواع مختلفة من النيوترينوات خلال رحلتها الطويلة من الشمس إلى الأرض، وهي نتيجة تشير أيضًا إلى أن النيوترينوات ليست جزيئات عديمة الكتلة.
مسرد المصطلحات
- علم الزلازل الشمسي
- دراسة نبضات أو تذبذبات الشمس من أجل تحديد خصائص الطاقة الشمسية الداخلية