16.4: Mambo ya Ndani ya jua - Uchunguzi

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza jinsi Jua linavyopiga
• Eleza ni nini helioseismology na nini inaweza kutuambia kuhusu mambo ya ndani ya jua
• Jadili jinsi utafiti wa neutrinos kutoka Jua umesaidia kuelewa neutrinos

Kumbuka kwamba tunapoona photosphere ya jua (safu ya uso tunayoona kutoka nje), hatuoni sana katika nyota yetu, hakika sio katika mikoa ambayo nishati huzalishwa. Ndiyo sababu kichwa cha sehemu hii-uchunguzi wa mambo ya ndani ya jua lazima ionekane kushangaza sana. Hata hivyo wanaastronomia kwa kweli wamepanga aina mbili za vipimo vinavyoweza kutumika kupata taarifa kuhusu sehemu za ndani za Jua. Mbinu moja inahusisha uchambuzi wa mabadiliko madogo katika mwendo wa mikoa midogo kwenye uso wa Jua. Nyingine hutegemea kipimo cha neutrino zinazotolewa na Jua.

Pulsations ya jua

Wanaastronomia waligundua kwamba mapigo ya Jua ya—yaani, inapanua na mikataba-kama vile kifua chako kinavyozidi na mikataba unapopumua. Pulsation hii ni kidogo sana, lakini inaweza kuonekana kwa kupima kasi ya radial ya uso wa jua-kasi ambayo inakwenda kuelekea au mbali na sisi. Uwezo wa mikoa midogo juu ya Jua huzingatiwa kubadilika kwa njia ya kawaida, kwanza kuelekea Dunia, kisha mbali, kisha kuelekea, na kadhalika. Ni kama Jua lilikuwa “kupumua” kupitia maelfu ya mapafu ya mtu binafsi, kila mmoja akiwa na ukubwa wa kilomita 4000 hadi 15,000, kila mmoja hubadilika na kurudi (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Oscillations katika Sun. Mbinu mpya za uchunguzi zinawawezesha wanaastronomia kupima tofauti ndogo katika kasi kwenye uso wa Jua ili kuhitimisha jinsi mambo ya ndani ya jua yalivyo kama. Katika simulation hii ya kompyuta, nyekundu inaonyesha mikoa ya uso ambayo ni kusonga mbali na mwangalizi (ndani mwendo); bluu alama mikoa kusonga kuelekea mwangalizi (outward mwendo). Kumbuka kwamba mabadiliko ya kasi hupenya ndani ya mambo ya ndani ya Jua.

Kasi ya kawaida ya moja ya mikoa ya oscillating kwenye Jua ni mita mia chache tu kwa pili, na inachukua muda wa dakika 5 kukamilisha mzunguko kamili kutoka kiwango cha juu hadi kasi ya chini na kurudi tena. Mabadiliko katika ukubwa wa Jua kupimwa kwa hatua yoyote iliyotolewa sio zaidi ya kilomita chache.

Jambo la ajabu ni kwamba tofauti hizi ndogo za kasi zinaweza kutumika kuamua nini mambo ya ndani ya Jua ni kama. Mwendo wa uso wa Jua unasababishwa na mawimbi yanayofikia kutoka kirefu ndani ya mambo ya ndani. Utafiti wa amplitude na urefu wa mzunguko wa mabadiliko ya kasi hutoa taarifa kuhusu joto, wiani, na muundo wa tabaka ambazo mawimbi yamepita kabla ya kufikia uso. Hali hiyo ni sawa na matumizi ya mawimbi ya tetemeko yanayotokana na matetemeko ya ardhi ili kuhitimisha mali ya mambo ya ndani ya Dunia. Kwa sababu hii, tafiti za oscillations ya jua (mwendo wa nyuma na nje) hujulikana kama helioseismology.

Inachukua kidogo zaidi ya saa moja kwa mawimbi kuvuka Jua kutoka katikati hadi uso, hivyo mawimbi, kama neutrinos, hutoa taarifa kuhusu mambo ya ndani ya jua ni kama wakati huu. Kwa upande mwingine, kumbuka kwamba jua tunayoona leo linalojitokeza kutoka Jua lilikuwa limezalishwa katika msingi miaka mia kadhaa iliyopita.

Helioseismology umeonyesha kuwa convection inaenea ndani kutoka uso 30% ya njia kuelekea katikati; tumetumia habari hii katika kuchora\(16.3.6\) katika Sehemu ya 16.3. Vipimo vya vurugu pia vinaonyesha kwamba mzunguko tofauti tunaoona kwenye uso wa Jua, na mzunguko wa haraka zaidi unaotokea kwenye ikweta, huendelea chini kupitia eneo la convection. Chini ya ukanda wa convection, hata hivyo, Jua, ingawa ni gesi kote, huzunguka kama ni mwili imara kama mpira wa bowling. Utafutaji mwingine kutoka helioseisemolojia ni kwamba wingi wa heliamu ndani ya Jua, isipokuwa katikati ambako athari za nyuklia zimebadilisha hidrojeni kuwa heliamu, ni sawa na kwenye uso wake. Matokeo hayo ni muhimu kwa wanaastronomia kwa sababu inamaanisha kuwa tuko sahihi tunapotumia wingi wa elementi zilizopimwa katika anga ya jua ili kujenga mifano ya mambo ya ndani ya jua.

Helioseismology pia inaruhusu wanasayansi kuangalia chini ya jua na kuona jinsi inavyofanya kazi. Katika Jua: Nyota ya Bustani-Variety, tulisema kuwa jua ni baridi kwa sababu mashamba yenye nguvu ya magnetic huzuia mtiririko wa nje wa nishati. Kielelezo\(\PageIndex{2}\) kinaonyesha jinsi gesi inavyozunguka chini ya jua. Vifaa vya baridi kutoka kwenye jua hutoka chini, na nyenzo zinazozunguka jua hutolewa ndani, hubeba shamba la magnetic na hivyo kudumisha shamba kali ambalo ni muhimu kuunda jua. Kama nyenzo mpya inaingia eneo la jua, pia hupungua, inakuwa denser, na kuzama, hivyo kuanzisha mzunguko wa kujitegemea ambao unaweza kudumu kwa wiki.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Sunspot Muundo. Mchoro huu unaonyesha uelewa wetu mpya, kutoka kwa helioseismology, wa kile kilicho chini ya jua. Mishale nyeusi inaonyesha mwelekeo wa mtiririko wa nyenzo. Sehemu kali ya magnetic inayohusishwa na jua huacha mtiririko wa juu wa nyenzo za moto na hujenga aina ya kuziba inayozuia gesi ya moto. Kama nyenzo zilizo juu ya kuziba hupuka (zilizoonyeshwa kwa bluu), inakuwa denser na kuingia ndani, kuchora gesi zaidi na shamba zaidi ya magnetic nyuma yake ndani ya doa. Sehemu ya magnetic iliyojilimbikizia husababisha baridi zaidi, na hivyo kuanzisha mzunguko wa kujitegemea ambao inaruhusu doa kuishi kwa wiki kadhaa. Kwa kuwa kuziba huhifadhi nyenzo za moto kutoka kwenye jua, kanda iliyo chini ya kuziba, iliyowakilishwa na nyekundu kwenye picha hii, inakuwa moto zaidi. Nyenzo hii inapita upande wa pili na kisha juu, hatimaye kufikia uso wa jua katika eneo linalozunguka jua.

Nyenzo za baridi zinazozunguka chini hufanya kama aina ya kuziba inayozuia mtiririko wa juu wa nyenzo za moto, ambazo hutolewa upande wa pili na hatimaye hufikia uso wa jua katika kanda karibu na jua. Mtiririko huu wa nje wa nyenzo za moto huchangia kitendawili ambacho tumeelezea katika Jua: Nyota-Bustani ya Mbalimbali—yaani, kwamba Jua hutoa nishati kidogo zaidi wakati sehemu kubwa ya uso wake inafunikwa na maeneo ya jua baridi.

Helioseismology imekuwa chombo muhimu cha kutabiri dhoruba za jua zinazoweza kuathiri Dunia. Mikoa ya kazi inaweza kuonekana na kukua kubwa kwa siku chache tu. Kipindi cha mzunguko wa jua ni karibu siku 28. Kwa hiyo, mikoa yenye uwezo wa kuzalisha mionzi ya jua na ejections ya molekuli ya koroni inaweza kuendeleza upande wa mbali wa Jua, ambapo, kwa muda mrefu, hatukuweza kuziona moja kwa moja.

Kwa bahati nzuri, sasa tuna darubini za angani zinazofuatilia Jua kutoka pembe zote, kwa hiyo tunajua kama kuna maeneo ya jua yanayotengenezwa upande wa pili wa Jua. Zaidi ya hayo, mawimbi ya sauti husafiri kwa kasi kidogo katika mikoa ya shamba la juu la magnetic, na mawimbi yanayotokana katika mikoa ya kazi hupita Sun kuhusu sekunde 6 kwa kasi zaidi kuliko mawimbi yanayotokana Kwa kuchunguza tofauti hii ya hila, wanasayansi wanaweza kutoa onyo la wiki moja au zaidi kwa waendeshaji wa huduma za umeme na satelaiti kuhusu wakati eneo lenye uwezekano wa hatari linaweza kugeuka katika mtazamo. Kwa onyo hili, inawezekana kupanga mipango ya kuvuruga, kuweka vyombo muhimu katika hali salama, au reschedule spacewalks ili kulinda astronauts.

Neutrinos ya jua

Mbinu ya pili ya kupata taarifa kuhusu mambo ya ndani ya Jua inahusisha kugundua wachache wa wale neutrinos wasio na wasiwasi zilizoundwa wakati wa fusion ya nyuklia. Kumbuka kutokana na majadiliano yetu ya awali kwamba neutrinos zilizoundwa katikati ya Jua hufanya njia yao moja kwa moja nje ya Jua na kusafiri duniani kwa karibu kasi ya nuru. Mbali na neutrinos inavyohusika, Jua ni wazi.

Kuhusu asilimia 3 ya jumla ya nishati inayozalishwa na fusion ya nyuklia katika Jua huchukuliwa na neutrinos. Hivyo protoni nyingi huguswa na kuunda neutrino ndani ya msingi wa Jua kwamba, wanasayansi wanahesabu, neutrino milioni 35 (\(3.5 × 10^{16}\)) za jua zinapita kila mita ya mraba ya uso wa Dunia kila sekunde. Ikiwa tunaweza kuunda njia ya kuchunguza hata baadhi ya neutrinos hizi za jua, basi tunaweza kupata taarifa moja kwa moja kuhusu kinachoendelea katikati ya Jua. Kwa bahati mbaya kwa wale wanaojaribu “kukamata” baadhi ya neutrinos, Dunia na kila kitu juu yake pia ni karibu uwazi kwa kupita neutrino, kama Jua.

Katika matukio machache sana, hata hivyo, moja ya mabilioni na mabilioni ya neutrinos ya jua itaingiliana na atomu nyingine. Kugundua kwanza kwa mafanikio ya nyutrino za jua kulitumia maji ya kusafisha (\(\ce{C2Cl4}\)), ambayo ndiyo njia ya gharama kubwa zaidi ya kupata atomi nyingi za klorini pamoja. Kiini cha atomi ya klorini (Cl) katika maji ya kusafisha kinaweza kubadilishwa kuwa kiini cha argon cha mionzi kwa mwingiliano na neutrino. Kwa sababu argon ni mionzi, uwepo wake unaweza kugunduliwa. Hata hivyo, tangu mwingiliano wa neutrino na klorini hutokea hivyo mara chache, kiasi kikubwa cha klorini kinahitajika.

Raymond Davis, Jr. (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)) na wenzake katika Brookhaven National Laboratory, kuwekwa tank zenye karibu 400,000 lita ya kusafisha maji 1.5 kilomita chini ya uso wa dunia katika mgodi wa dhahabu katika Kiongozi, South Dakota. Mgodi ulichaguliwa ili nyenzo zinazozunguka za Dunia ziweke mionzi ya cosmic (chembe za juu-nishati kutoka nafasi) kutoka kufikia maji ya kusafisha na kuunda ishara za uongo. (Cosmic-ray chembe ni kusimamishwa na tabaka nene ya Dunia, lakini neutrinos kupata yao ya maana hakuna.) Mahesabu yanaonyesha kwamba neutrino za jua zinapaswa kuzalisha takriban atomu moja ya argoni mionzi katika tangi kila siku.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Davis majaribio. (a) Raymond Davis alipokea Tuzo ya Nobel katika fizikia mwaka 2002. (b) Jaribio la Davis chini ya mgodi wa dhahabu uliotelekezwa kwanza ulifunua matatizo na ufahamu wetu wa neutrinos.

Huu ulikuwa mradi wa kushangaza: walihesabu atomi za argon mara moja kwa mwezi-na kukumbuka, walikuwa wanatafuta wachache wa atomi za argon katika tank kubwa ya atomi za klorini. Yote yaliposemwa na kufanywa, majaribio ya Davis, yaliyoanza mwaka 1970, yaligundua takriban theluthi moja tu ya neutrino nyingi kama ilivyotabiriwa na mifano ya jua! Hii ilikuwa matokeo ya kutisha kwa sababu wanaastronomia walidhani kuwa walikuwa na ufahamu mzuri wa neutrinos na mambo ya ndani ya Jua. Kwa miaka mingi, wanaastronomia na wanafizikia walishindana na matokeo ya Davis, wakijaribu kutafuta njia ya kutolewa kwa mtanziko wa neutrinos “kukosa”.

Hatimaye matokeo ya Davis yalielezewa na ugunduzi wa kushangaza kwamba kwa kweli kuna aina tatu za neutrinos. Fusion ya jua inazalisha aina moja tu ya neutrino, inayoitwa elektroni neutrino, na majaribio ya awali ya kuchunguza neutrino ya jua yaliundwa kuchunguza aina hii moja. Majaribio yafuatayo yalionyesha ya kwamba nyutrino hizi zinabadilika kwa aina tofauti wakati wa safari yao kutoka katikati ya Jua kupitia angani hadi Dunia katika mchakato unaoitwa neutrino oscillation.

Jaribio, lililofanywa katika Sudbury Neutrino Observatory nchini Canada, lilikuwa la kwanza lililoundwa kukamata aina zote tatu za neutrinos (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Jaribio lilikuwa katika mgodi kilomita 2 chini ya ardhi. Detector ya neutrino ilijumuisha nyanja ya plastiki ya akriliki ya uwazi ya mita 12, ambayo ilikuwa na tani 1000 za maji nzito. Kumbuka kwamba kiini cha kawaida cha maji kina atomi mbili za hidrojeni na atomi moja ya oksijeni. Maji mazito badala yake yana atomi mbili za deuteriamu na atomi moja ya oksijeni, na neutrino zinazoingia zinaweza kuvunja mara kwa mara protoni na neutroni iliyofungwa huru ambayo hufanya kiini cha deuteriamu. Tufe la maji nzito lilizungukwa na ngao ya tani za metri 1700 za maji safi sana, ambayo kwa upande wake ilizungukwa na photomultipliers 9600, vifaa vinavyogundua uangazavyo wa nuru zinazozalishwa baada ya nyutrino kuingiliana na maji nzito.

takwimu\(\PageIndex{4}\): Sudbury Neutrino Detector. Sehemu ya mita 12 ya Detector ya Sudbury Neutrino iko zaidi ya kilomita 2 chini ya ardhi na ina tani 1000 za maji nzito.

Kwa misaada kubwa ya wanaastronomia ambao hufanya mifano ya Jua, jaribio la Sudbury liligundua kuhusu neutrino 1 kwa saa na imeonyesha kuwa jumla ya idadi ya neutrino inayofikia maji nzito ni kile ambacho mifano ya jua inatabiri. Theluthi moja tu ya hizi, hata hivyo, ni neutrinos za elektroni. Inaonekana kwamba theluthi mbili za neutrino za elektroni zinazozalishwa na Jua hujibadilisha kuwa mojawapo ya aina nyingine za neutrino kadiri zinavyofanya njia yao kutoka kiini cha Jua hadi Dunia. Ndiyo sababu majaribio ya awali yaliona theluthi moja tu idadi ya neutrinos inatarajiwa.

Ingawa si intuitively dhahiri, oscillations vile neutrino inaweza kutokea tu kama wingi wa neutrino elektroni si sifuri. Majaribio mengine yanaonyesha kwamba masi yake ni ndogo (hata ikilinganishwa na elektroni). Tuzo ya Nobel ya mwaka 2015 katika fizikia ilitolewa kwa watafiti Takaaki Kajita na Arthur B. McDonald kwa kazi yao ya kuanzisha asili inayobadilika ya neutrinos. (Raymond Davis alishiriki Tuzo ya Nobel ya 2002 na Masatoshi Koshiba wa Japani kwa majaribio yaliyosababisha kuelewa kwetu tatizo la neutrino katika nafasi ya kwanza.) Lakini ukweli kwamba neutrino ina wingi kabisa ina athari kubwa kwa fizikia na astronomia. Kwa mfano, tutaangalia jukumu ambalo neutrinos hucheza katika hesabu ya wingi wa ulimwengu katika Big Bang.

Jaribio la Borexino, jaribio la kimataifa lililofanywa nchini Italia, liligundua neutrinos zinazotoka Jua ambazo zilitambuliwa kama zinatokana na athari tofauti. Ingawa mnyororo wa p-p ni mmenyuko unaozalisha nishati nyingi za Jua, sio tu mmenyuko wa nyuklia unaotokea katika msingi wa Jua. Kuna athari za upande zinazohusisha nuclei ya vipengele kama beryllium na boroni. Kwa kuchunguza idadi ya neutrinos inayotokana na kila mmenyuko, jaribio la Borexino limetusaidia kuthibitisha kwa undani ufahamu wetu wa fusion ya nyuklia katika Jua. Mwaka 2014, jaribio la Borexino lilitambua pia neutrinos zilizotengenezwa na hatua ya kwanza katika mlolongo wa p-p, kuthibitisha mifano ya wanaastronomia ya jua.

Ni ajabu kwamba mfululizo wa majaribio ambayo ilianza na maji ya kutosha ya kusafisha kujaza bwawa la kuogelea lilileta chini shafts ya mgodi wa zamani wa dhahabu sasa unatufundisha kuhusu chanzo cha nishati cha jua na mali ya jambo! Huu ni mfano mzuri wa jinsi majaribio katika astronomia na fizikia, pamoja na mifano bora ya kinadharia tunaweza kuunda, yanaendelea kusababisha mabadiliko ya msingi katika uelewa wetu wa asili.

Dhana muhimu na Muhtasari

Uchunguzi wa oscillations ya jua (helioseismology) na neutrinos inaweza kutoa data ya uchunguzi kuhusu mambo ya ndani ya Jua. Mbinu ya helioseisimmolojia hadi sasa imeonyesha kuwa muundo wa mambo ya ndani ni sawa na ule wa uso (isipokuwa katika msingi, ambapo baadhi ya hidrojeni ya awali imebadilishwa kuwa heliamu), na kwamba eneo la convection linaendelea karibu 30% ya njia kutoka uso wa Jua hadi katikati yake. Helioseismology pia inaweza kuchunguza mikoa hai upande wa mbali wa Jua na kutoa utabiri bora wa dhoruba za jua ambazo zinaweza kuathiri Dunia. Neutrinos kutoka Sun wito kutuambia juu ya kile kinachotokea katika mambo ya ndani ya jua. Jaribio la hivi karibuni limeonyesha kuwa mifano ya jua hutabiri kwa usahihi idadi ya neutrino za elektroni zinazozalishwa na athari za nyuklia katika kiini cha Jua. Hata hivyo, theluthi mbili za neutrino hizi zinabadilishwa kuwa aina tofauti za neutrinoni wakati wa safari yao ndefu kutoka Jua hadi Dunia, matokeo ambayo yanaonyesha pia kwamba neutrino si chembe zisizo na massa.

faharasa

helioseismology

utafiti wa vurugu au oscillations ya Sun ili kuamua sifa za mambo ya ndani ya jua