وصفت مهمة MMS، بمناسبة مرور عام في الفضاء، لأول مرة ما يحدث عند الالتقاء بين المجال المغناطيسي للأرض والمجال المغناطيسي للشمس
مثلما يرسل الباحثون في مجال العواصف أجهزة استشعار إلى قلب الإعصار، قامت وكالة ناسا بإطلاق أربع مركبات فضائية عبر دوامة غير مرئية في الفضاء، تسمى "إعادة الاتصال المغناطيسي" أو "إعادة الاتصال المغناطيسي". يعد إعادة الاندماج المغناطيسي أحد القوى الدافعة وراء الإشعاع في الفضاء، وبالتالي فهو عامل أساسي في دراسة بيئتنا الفضائية، من بين أمور أخرى حتى نتمكن من حماية المركبات الفضائية ورواد الفضاء المرسلين إلى الفضاء.
في النتائج المهمة الأولى لمهمة MMS - مهمة ناسا للغلاف المغناطيسي المتعددة النطاق - هناك نظرة أولية على التفاعل بين المجال المغناطيسي للأرض والمجال المغناطيسي للشمس. تم تقديمها في مقال نشر هذه الأيام (13.5.2016) في المجلة العلمية المرموقة Science. تصف الورقة أول ملاحظة مباشرة ومفصلة لإعادة الاندماج المغناطيسي، والتي تحدث عندما ينكسر خطان من المجال المغناطيسي المتعارضان ويتصلان ببعضهما البعض، مما يؤدي إلى إطلاق كميات هائلة من الطاقة. ويظهر البحث أن إعادة الاتصال المغناطيسي يتم التحكم فيها بواسطة فيزياء الإلكترون، وبالتالي توفير معلومات حيوية حول هذه العملية الأساسية في الطبيعة. وأجرى الدراسة فيزيائيون من جامعة ميريلاند.
على الرغم من أن الفضاء هو فراغ أفضل من أي فراغ يمكن خلقه على الأرض، إلا أنه لا يزال يحتوي على جزيئات ويعج بالنشاط - فهو يحتوي على نظام معقد من المجالات المغناطيسية والطاقة. لا يهتم معظم الناس كثيرًا بالمجال المغناطيسي للأرض على الرغم من أنه ضروري لحياتنا مثل الهواء والماء وأشعة الشمس. يوفر المجال المغناطيسي حاجزًا غير مرئي ولكنه أساسي يحمي الأرض من "الرياح الشمسية": هبوب الجسيمات المشحونة التي يطلقها المجال المغناطيسي للشمس من الطبقات الخارجية للشمس.
التفاعل بين هذين المجالين المغناطيسيين - الأرض والشمس - يمكن أن ينتج عواصف في الفضاء بالقرب من الأرض، والتي لديها القدرة على تعطيل الأقمار الصناعية وتؤدي إلى العديد من المشاكل هنا على الأرض، على الرغم من خطوط الدفاع التي يوفرها المجال المغناطيسي للأرض. . في بعض الأحيان، عندما تتصل مصفوفتان من المجالات المغناطيسية، يحدث تفاعل متفجر: عندما يتم إعادة ترتيب المجالات المغناطيسية وتأمين مصفوفتها الجديدة - فإنها ترسل نفاثات من الجسيمات والطاقة.
وقد تم ملاحظة تأثيرات هذا الإطلاق المفاجئ للجسيمات والطاقة - مثل التوهجات الشمسية العملاقة، والشفق القطبي، والعواصف الإشعاعية في الفضاء القريب من الأرض، والجسيمات الكونية عالية الطاقة القادمة من المجرات الأخرى - عبر النظام الشمسي وخارجه. لكننا لم نشهد قط ظاهرة إعادة الاندماج المغناطيسي بشكل مباشر. لقد لاحظت الأقمار الصناعية الجزيئات التي تتسارع بسرعة، ولكن ليس العامل الدافع نفسه، تمامًا مثل رؤية كل الشظايا والحطام الذي يتطاير بسبب الإعصار، ولكن لا ترى العاصفة نفسها.
وقال جيم بورش، الباحث الرئيسي في مهمة MMS في معهد أبحاث الجنوب الغربي في سان أنطونيو بولاية تكساس والمؤلف الأول: "إن المهمة التي طورناها تمنحنا، لأول مرة، الدقة اللازمة لجمع الملاحظات من قلب الاندماج المغناطيسي". من الورقة. "لقد حصلنا على نتائج أسرع مما كنا نتوقع. وعندما رأينا الاندماج المغناطيسي أثناء العمل، رأينا إحدى القوى الأساسية في الطبيعة".
يتكون MMS من أربع مركبات فضائية متطابقة تم إطلاقها في مارس 2015. وهي تطير على مسافة 10 كيلومترات عند حافة المجال المغناطيسي للأرض في تشكيل هرمي - حتى يتمكنوا من إنشاء خريطة كاملة ثلاثية الأبعاد لجميع الظواهر التي يواجهونها. في 16 أكتوبر 2015، مرت مجموعة رسائل الوسائط المتعددة مباشرة من خلال حدث إعادة الاتصال المغناطيسي عند الحدود حيث يصطدم المجال المغناطيسي للأرض مع المجال المغناطيسي للشمس. وفي غضون ثوانٍ، قام 25 جهاز استشعار على كل مركبة فضائية بجمع آلاف الملاحظات. توفر مجموعة المركبات الفضائية تصويرًا للإلكترونات داخل الهرم مرة كل 30 مللي ثانية. إن المستوى المذهل من التفاصيل في البيانات يجعل من الممكن رؤية الأشياء التي كانت ضبابية في السابق، لأن الصور التي تم الحصول عليها قبل مهمة MMS كانت بفاصل زمني قدره ثلاث ثوان - بمعدل أبطأ 100 مرة، وكان استخدامها لرؤية إعادة التركيب مستحيلا. .
وقد سمح هذا المعدل غير المسبوق للعلماء بمراقبة التغيرات في المجالات المغناطيسية والكهربائية بشكل أفضل من أي وقت مضى، وكذلك التغيرات في سرعات واتجاهات الجسيمات المشحونة المختلفة. إن مجرد دراسة ظاهرة إعادة الاندماج بالتفصيل يعد معلمًا مهمًا. لكن الهدف الرئيسي لمهمة MMS هو تحديد مدى سرعة كسر خطوط المجال المغناطيسي، مما يسمح بإعادة الاندماج وإطلاق الطاقة لاحقًا. إن قياس سلوك الإلكترونات في حدث الاندماج سيجعل من الممكن وصف وصف أكثر دقة للعملية التي تتم فيها، وعلى وجه الخصوص، سيكون من الممكن التحقق مما إذا كانت تتم في عملية نظيفة ومنظمة أم لا. في دوامة مضطربة من الطاقة والجزيئات.
اتضح أن العلم وراء إعادة التوحيد هو الكهرومغناطيسية الأساسية البسيطة، وهي إحدى القوى الأساسية في الكون المشابهة للجاذبية على الأرض. يمكنك رؤية سلسلة من الخطوط في كل مجموعة من المجالات المغناطيسية. ترتبط خطوط المجال هذه دائمًا بجسم ما - كوكب أو نجم - وتخلق شبكة مغناطيسية ضخمة تحيط به. تحدث إعادة الاتصال المغناطيسي بالقرب من الحدود بين هاتين الشبكتين.
تخيل صفوفًا من خطوط المجال المغناطيسي تتحرك عكس بعضها البعض عند مثل هذه الحدود (على سبيل المثال، تتحرك المركبة الفضائية MMS عند الحدود حيث تلتقي المجالات المغناطيسية للأرض مع حقول الشمس). في بعض الأحيان تكون اتجاهات خطوط المجال هي نفسها ولا يكون لها تأثير كبير على بعضها البعض، مثل تيارين من الماء يتدفقان جنبًا إلى جنب. لكن في الحالة التي تكون فيها اتجاهات خطوط المجال في المجموعتين متعارضة، فإن عملية إعادة ترتيبها يمكن أن تكون دراماتيكية إلى حد الانفجار - تندلع الجسيمات بسرعة قريبة من سرعة الضوء. ولكن من ناحية أخرى - يمكن أن تكون العملية أيضًا بطيئة وثابتة.
وقال توم مور، عالم المهمة في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في جرينبيلت: "أحد ألغاز إعادة الاندماج المغناطيسي هو السبب في أنه تفاعل متفجر في بعض الحالات ومستقر في حالات أخرى، وفي بعض الحالات لا يحدث على الإطلاق". ، ميريلاند. على أية حال - في العملية الانفجارية كما في العملية المستقرة - يتم إطلاق كمية هائلة من الطاقة ويتم رمي الجزيئات المحلية بعيدًا وتعبر الحدود المغناطيسية التي لا يمكن تجاوزها في حالات أخرى. عند أطراف الغلاف المغناطيسي للأرض، تسمح مثل هذه الأحداث للإشعاع الشمسي بدخول الفضاء بالقرب من الأرض.
وقال بيرتش: "من القياسات التي أجرتها الأقمار الصناعية السابقة، نعلم أن المجالات المغناطيسية تتصرف مثل مقلاع، حيث ترسل البروتونات المتسارعة إلى الخارج". "إن اللغز الذي دام عقودًا هو ما تفعله الإلكترونات وما هي العلاقة التي تتشكل بين المجالين المغناطيسيين. وكانت القياسات السابقة للإلكترونات أبطأ 100 مرة، وهي بطيئة جدًا في أخذ عينات من منطقة إعادة الاتصال المغناطيسي.
تتحقق مصفوفة MMS مما يحدث للإلكترونات أثناء الاندماج. عندما عبرت المركبات الفضائية الأربع حدود الغلاف المغناطيسي في ذلك اليوم من شهر أكتوبر عام 2015، مروا مباشرة عبر ما يسمى بـ "منطقة التبديد"، حيث تمت إعادة الاتصال المغناطيسي. وكانت الملاحظات قادرة على تتبع التحولات المفاجئة في المجالات المغناطيسية وكذلك الجسيمات المتحركة بعيدا.
يتم إطلاق الإلكترونات من الحدث الأصلي في خطوط مستقيمة بسرعة مئات الكيلومترات في الثانية، وتتمكن من عبور الحدود المغناطيسية التي تنحرف عنها عادةً. بعد عبور الحدود، تواجه نفاثات الجسيمات المجالات المغناطيسية الجديدة، ومنحنيات مسارها استجابة لذلك وتقوم بالدوران على شكل حرف U. تتوافق هذه الملاحظات مع المحاكاة الحاسوبية لـ "نموذج الهلال"، والتي يطلق عليها هذا الاسم بسبب الأشكال الهلالية المميزة التي تظهرها الرسوم البيانية - والتي تمثل المسافة التي تنتقل بها الإلكترونات عبر الحدود المغناطيسية قبل الدوران مرة أخرى.
ومن النتائج المفاجئة الأخرى أنه في اللحظة التي تم فيها الاتصال بين خطوط المجال المغناطيسي للشمس والأرض، انقلبت الأهلة فجأة، بحيث تدفقت الإلكترونات على طول خطوط المجال. ومن خلال مراقبة مسارات هذه الإلكترونات، تمكنت مصفوفة MMS من ملاحظة تكسر واندماج المجالات المغناطيسية في الفضاء لأول مرة.
وقال مايكل هيس، عالم الفضاء في جودارد وأول من طور نموذج الهلال: "تشير البيانات إلى أن إعادة الاتصال المغناطيسي هي عملية منظمة وأنيقة إلى حد ما". "لا يبدو أن هناك الكثير من الاضطرابات، أو على الأقل ليست كافية لتعطيل العملية أو تعقيدها." يشير الشكل الهلالي المميز لانتشار الإلكترون إلى أن فهم كيفية تسريع خطوط المجال المغناطيسي للجسيمات يكمن في فيزياء الإلكترون.
وقال روي توربرت، العالم في مركز علوم الفضاء بجامعة نيو هامبشاير في دورهام وأحد المؤلفين: "تتحرك الإلكترونات بحيث يتم إنشاء المجالات الكهربائية، وهذه المجالات الكهربائية بدورها تنتج دفعة من تحويل الطاقة المغناطيسية". من الورقة. "إن الاصطدام الذي تمكنت أدواتنا من قياسه قدم لنا صورة واضحة عن إطلاق الطاقة أثناء إعادة الاندماج المتفجر والدور الذي تلعبه فيزياء الإلكترون في هذه العملية."
حتى الآن، قامت مجموعة MMS بأكثر من 4,000 رحلة عبر حدود الغلاف المغناطيسي للأرض، وفي كل مرة تجمع معلومات حول كيفية تحرك المجالات المغناطيسية والجسيمات الموجودة بداخلها. بعد أول ملاحظة مباشرة لإعادة الاندماج المغناطيسي، مرت المركبات الفضائية الأربع بمثل هذا الحدث الأساسي خمس مرات أخرى وقدمت المزيد من المعلومات حول العملية.
إن الصورة الأكثر وضوحًا لفيزياء إعادة الاندماج ستقربنا خطوة أخرى من فهم الطقس الفضائي، بما في ذلك ما إذا كانت التوهجات الشمسية والعواصف المغناطيسية تتبع نمطًا يمكن التنبؤ به، مثل الطقس هنا على الأرض. يمكن أن يساعد إعادة الاندماج العلماء أيضًا على فهم ظواهر فيزيائية فلكية أخرى أكثر نشاطًا مثل النجوم المغناطيسية، وهي نجوم نيوترونية ذات مجال مغناطيسي قوي بشكل غير عادي.
قال مارك سويسداك، عالم الأبحاث في معهد الإلكترونيات والفيزياء التطبيقية بجامعة ميريلاند: "إن فهم إعادة التركيب له صلة بمجموعة كاملة من الأسئلة العلمية في الفيزياء الشمسية والفيزياء الفلكية". "إن إعادة الاندماج في المجال المغناطيسي للأرض عبارة عن طاقة منخفضة نسبيًا، ولكن يمكننا الحصول على فكرة جيدة عما سيحدث إذا قمنا باستقراء أنظمة أكثر طاقة. تعتبر حافة المجال المغناطيسي للأرض بمثابة مختبر اختبار ممتاز، لأنها المكان الوحيد الذي يمكننا أن نطير فيه بمركبة فضائية مباشرة عبر منطقة يحدث فيها الاندماج النووي.
حتى الآن، ركزت مهمة MMS فقط على الجانب المواجه للشمس من المجال المغناطيسي للأرض. وفي المستقبل، يجب أن تطير مجموعة المركبات الفضائية إلى الجانب الآخر لدراسة ذيل المجال المغناطيسي - الذي له شكل الدمعة - المتجه بعيدًا عن الشمس.
ومع استمرار المهمة، يمكن للفريق تعديل الهيكل الذي تحلق فيه المركبة الفضائية - مما يجعلهما أقرب من بعضهما البعض، وبالتالي توفير مراقبة أفضل لمسارات الإلكترون، أو تحريكهما بعيدًا عن بعضهما البعض، وبالتالي السماح بمراقبة أفضل لمسارات البروتونات. تساهم كل مجموعة من الملاحظات في شرح الجوانب المختلفة لإعادة الاتصال المغناطيسي. ستساعد مثل هذه المعلومات العلماء على رسم خريطة لتفاصيل بيئتنا الفضائية، وهي معلومات أساسية إذا كنت تخطط لرحلة إلى ما هو أبعد من كوكبنا.
