کاوشگر پارکر چه ویژگی هایی دارد؟

سرانجام پس از چندین نوبت تاخیر، کاوشگر پارکر در ساعت 7:31 دقیقه به وقت گرینویچ یا 3:31 دقیقه به وقت محلی کیپ کاناورال 12 آگوست 2018، سوار بر یک موشک دلتای 4 به سوی فضا پرتاب شد. این کاوشگر می رود تا با سرعتی حدود 720 هزار کیلومتر بر ساعت از فاصله ای بسیار بسیار نزدیک با خورشید منظومه ما دیدار کند؛ آنقدر نزدیک که پژوهشگران پروژه پارکر اصطلاحاً می گویند پارکر قرار است خورشید را لمس کند. پارکر در حقیقت برای مدت کوتاهی وارد اتمسفر خورشید موسوم به کرونا یا همان تاج مشهور خورشید می شود و سپس از آن بیرون می رود. این کاوشگر البته در ماموریت خود برای کاوش خورشید تنها نخواهد بود و کمتر از شش ماه دیگر کاوشگری اروپایی هم در حومه خورشید به او خواهد پیوست. اما پارکر دقیقاً چه ویژگی هایی دارد و در حیاط خلوت خورشید به دنبال چه می گردد؟

در این مقاله شما می توانید با کاوشگر پارکر و ویژگی های آن آشنا شوید.

پشت پرده شعله های مواج و سوزان خورشید، رازهای زیادی نهفته است. رازهای فراوانی که سال ها است اخترشناسان برای پرده برداشتن از آنها تلاش می کنند؛ اینکه چرا تاج خورشید به مراتب گرم تر از سطح آن است یا اینکه بادهای خورشید دقیقاً چطور به وجود می آیند؟

تئوری بادهای خورشیدی در سال 1957 بوسیله یوجین پارکر (Eugene Parker) اخترشناسی از دانشگاه شیکاگو که در آن زمان تنها 30 سال داشت، مطرح شد. مقاله علمی ای که در آن زمان پیرامون تشعشعات خورشیدی منتشر کرد، برای اولین بار به بادهای خورشیدی اشاره می کرد؛ جریانی از ذرات باردار (پلاسما) انرژی داری که از طرف خورشید به فضا در همه جهات ساطع می شوند.

تئوری پارکر در آن زمان موافقان و مخالفان فراوانی پیدا کرد، با این حال کسی نتوانست به محاسبات او ایرادی وارد کند. تا اینکه سرانجام کمی بیش از یک دهه بعد تئوری او با یافته های کاوشگر مارینر 2 تایید شد. تایید تئوری بادهای خورشیدی به خودی خود مقدمه به وجود آمدن سوالات گسترده ای پیرامون فعالیت خورشید بود؛ سوالاتی که بسیاری از آنها بی پاسخ مانده اند. یافتن پاسخ این سوالات نه تنها رمزگشای بسیاری از رازهای اخترشناسی خواهد بود، بلکه به ما کمک خواهد کرد تا بهتر بتوانیم از خود در برابر تاثیر مخرب طوفان های خورشیدی محافظت کنیم.

زمانی که بادهای خورشیدی با زمین برخورد می کنند، می توانند موجب اختلال یا حتی نابودی تکنولوژی های الکترونیکی شوند. بر اساس یکی از مطالعات اخیر آکادمی ملی علوم آمریکا، بدون داشتن یک سیستم پیش اخطار زود هنگام، طوفان های خورشیدی می توانند به صورت بالقوه موجب وارد آمدن بیش از دو تریلیون دلار خسارت تنها در ایالات متحده آمریکا شوند. میزان خسارت وارد به ایالات متحده در چنین شرایطی می تواند آنقدر باشد که همه سواحل شرقی آمریکا برای بیش از یکسال بدون برق بمانند. وضعیت در اروپا، آسیا و دیگر نقاط جهان هم دست کمی از این شرایط ندارد.

با وجودی که چنین طوفان خورشیدی سهمگینی معمولاً فقط هر چند صد سال یکبار رخ می دهد، اما طوفان های خورشیدی کوچک زیاد اتفاق می افتند. به عنوان نمونه در مارس 1989 یک طوفان خورشیدی کوچک موجب وارد آمدن آسیبی جدی به یکی از ترانسفورماتورهای شرکت هادرو کبک در کانادا شد. در سال 2003 هم، مجموعه ای طوفان های خورشیدی موجب شدند بیش از نیمی از ناوگان ماهواره های ناسا با ایرادات پراکنده روبرو شوند.

یک نیاز تاریخی

با وجود آنکه این روزها بیش از هر زمانی به مطالعه در مورد خورشید نیازمندیم، تمایل به مطالعه وسیع تر در این زمینه به قرن نوزدهم باز می گردد. زمانی که در سال 1869 اخترشناسانی از سراسر دنیا در روسیه و شمال آمریکا گردهم آمدند تا به رصد یک خورشید گرفتگی کامل بنشینند. در آن زمان آنها موفق به دیدن چیزی شدند که در شرایط عادی دیده نمی شود؛ چیزی که ما امروز به آن تاج خورشید یا کرونا می گوییم. خارجی ترین لایه از اتمسفر خورشید که بسیاری از اخترشناسان شیفته دانستن اطلاعات بیشتری در موردش بودند.

دو تن از این اخترشناسان، چارلز آگوستوس یانگ و ویلیام هارکنس در تلاش بودند تا طیف رنگ های سازنده تاج خورشید را از هم تفکیک کنند. آنها به خوبی می دانستند که عناصر شیمیایی مختلف به هنگام سوختن، نور را با طول موج های متفاوتی منتشر می کنند. به این ترتیب آنها می توانستند با اندازه گیری طول موج این خطوط طیفی، عناصر سازنده کرونا را تشخیص دهند. هر دوی آنها – که مستقل از هم کار می کردند – در مطالعات خود موفق به شناسایی خط طیفی سبز رنگ با طول موج 530 نانومتر شدند. این یافته در زمان خود موجب شگفتی بسیاری از پژوهشگران شد، چون طیف هیچکدام از عناصر شیمیایی شناخته شده در آن زمان در چنین طول موجی جای نمی گرفت، در نتیجه اخترشناسان فکر کردند که ماده جدیدی را کشف کرده اند و آن را کورونیوم نامیدند.

بعدها مشخص شد که یانگ و هارکنس اشتباه کرده اند، اما فهمیدن اینکه چرا اشتباه کرده بودند، برای دانشمندان تا دهه سوم قرن بیستم به طول انجامید. دو اختر فیزیکدان به نام های والتر گوریان (Walter Grotrian) و بنگ ادلن (Bengt Edlén) طی آزمایش های خود دریافتند که آهن می تواند از خود نور سبز منتشر کند، اما فقط در صورتی که آنها را تا درجه حرارت بالای سه میلیون درجه سلسیوس گرم کنید. با مشخص شدن این موضوع معمای اصلی متولد شد. چه چیزی دقیقاً درجه حرارت تاج خورشید را به بیش از سه میلیون درجه سلسیوس می رساند؟

اما کجای این سوال مهم بود؟ مشکل اصلی به این باز می گشت که بر اساس قوانین فیزیک و کشفیات اخترفیزیکدانان، درجه حرارت سطح خورشید چیزی حدود شش هزار درجه سلسیوس است. اگر یک چشمه آب داغ در نظر بگیرید؛ مثل این است که آب هرچه از سرچشمه گرمای خود دورتر شود، به جای سردتر شدن، داغ تر شود. نیکولا فاکس (Nicola Fox) یکی از دانشمندان طراح ماموریت پارکر در آزمایشگاه فیزیک دانشگاه جانز هاپکینز می گوید: «سوال اصلی اینجا است که دقیقاً چه اتفاقی در این محدوده رخ می دهد که دما به سرعت و به شکل ناگهانی به بیش از سه میلیون درجه سلسیوس افزایش پیدا می کند؟»

این سوال اصلی ای است که پارکر باید پاسخی برای آن پیدا کند. اما اگر از نظر شما این سوال به حد کافی بزرگ نیست، پارکر قرار است به سوالات دیگری هم پاسخ دهد. برای نمونه انتظار منطقی این است که خورشید به خاطر جرم گرانشی بالای خود، همه مواد تشکیل دهنده خود را دو دستی بچسبد. با این حال ما شاهدیم که پلاسما به راحتی از خورشید جدا و به سوی سیارات منظومه شمسی منتشر می شود؛ چیزی که ما به آن باد خورشیدی می گوییم و کمی قبل از خطراتش هم گفتیم. بادهای خورشیدی عموماً از ذرات فوران یافته از خورشید (عمدتاً تاج هیدروژن و هلیم) ساخته شده اند و آهن که موجب افشای معمای تاج خورشید شد، تنها جزئی بسیار کوچک از ترکیب آنها است. بادهای خورشیدی که با خود قدرت میدان مغناطیسی خورشید را هم حمل می کنند، با سرعتی بیش از 1600 کیلومتر بر ساعت منتشر می شوند.

داستان پارکر

کاوشگر پارکر قرار است در ماموریت هفت ساله خود در چندین نوبت شیرجه با سرعتی سرسام آور وارد کرونای خورشید شود و از آن بیرون رود. به این ترتیب پارکر در نزدیکترین ملاقات خود با خورشید به فاصله حدود شش میلیون کیلومتری از سطح آن خواهد رسید؛ جایی که او خورشید را 25 برابر بزرگتر از چیزی که ما می بینیم، مشاهده خواهد کرد.

تلاش اولیه برای ساخت یک کاوشگر خورشیدی در اصل در سال 2009 شروع شد. در آن زمان ناسا تصمیم داشت کاوشگری موسوم به مدارگرد خورشیدی را با کمک گرانشی مشتری در مدار قطبی نسبت به خورشید مستقر کند. با این حال شرایط مختلفی از جمله افزایش هزینه های پیش بینی شده و همچنین سفر طولانی مدت که برای رسیدن به مشتری نیاز بود، موجب لغو برنامه شد. پس از مجموعه ای از افت و خیزها برنامه جدید سرانجام در سال 2006 با دریافت بودجه کافی مجدداً شکل گرفت و توسعه کاوشگر خورشیدی این بار با عنوان یک کاوشگر کم هزینه به جریان افتاد. کاوشگری که سال پیش رسماً به افتخار یوجین پارکر، نامگذاری شد و دوازدهم آگوست امسال هم مسافرت پُر ماجرای خود را شروع کرد.

پارکر، حاصل مجموعه ای نوآوری های خلاقانه است که مهم ترینشان بدون تردید سپر حرارتی آن است. سپر حرارتی پارکر از دو لایه تشکیل شده که لایه ای از فوم کربن آنها را از هم جدا می کند. لایه جلویی که رو به خورشید قرار می گیرد، سفید است و نور را بازتاب می دهد. فوم کربنی میان سپر، بسیار سبک است و تا 97 درصد از هوا تشکیل شده است. این فوم بطور اختصاصی برای استفاده در این کاوشگر توسعه داده شده و یکی از تکنولوژی های اصلی ای است که این پروژه را انجام پذیر کرده است. این فوم که تنها 11 سانتیمتر ضخامت دارد، وقتی که پارکر به نزدیکترین فاصله اش از خورشید برسد، درجه حرارتی در حدود 1377 درجه سلسیوس را تحمل خواهد کرد. این در حالی است که حتی در این شرایط هم حرارت پشت آن از 21 تا 29 درجه سلسیوس فراتر نخواهد رفت.

در مقام مقایسه، سپر حرارتی کاوشگر اروپایی ای که چند ماه دیگر به سوی خورشید پرتاب خواهد شد، شیوه ای کاملاً متفاوت را برای مقاومت در برابر گرمای طاقت فرسای خورشید بکار خواهد برد. کاوشگر اروپایی سولار اوربیتر برخلاف پارکر قرار نیست تنها مدت کوتاهی در حریم گرمای غیر قابل تحمل خورشید باقی بماند. این کاوشگر اگرچه در فاصله دورتری از پارکر به نظاره خورشید خواهد نشست، اما همچنان با حرارتی حدود 520 درجه سلسیوس مواجه خواهد شد. آن هم در حالی که برخلاف پارکر برای خنک شدن پس از مدتی به سایه زهره پناه نخواهد برد و تقریباً به صورت پیوسته تا پایان ماموریت خود در پوشش این حرارت باقی خواهد ماند. سپر حرارتی سولار اوربیتر به جای آنکه سفید باشد، سیاه است و گرما را جذب و مجدداً به سوی فضا هدایت می کند. با این حال پارکر همچنان نسبت به سولار اوربیتر تا شش برابر بیشتر به خورشید نزدیک خواهد شد.

مسیر داغ

پارکر طی حدود هفت سال ماموریت پیش بینی شده کنونی خود، 24 بار به دور خورشید خواهد چرخید. در هر کدام از این گردش های مداری به خورشید نزدیکتر می شود تا در نهایت به فاصله کمتر از شش میلیون کیلومتری سطح آن برسد. سپس وقتی پارکر از نزدیکی خورشید دور شود، داده هایی را که جمع کرده، به زمین ارسال خواهد کرد. به لطف سپر حرارتی ای که به آن اشاره شد، هم کاوشگر و هم پنل های خورشیدی آن دور از گزند دستان شعله ور خورشید هستند. با این حال زاویه کاوشگر نسبت به خورشید باید با دقت فراوانی در تمام مدت عملیات کنترل شود. بطوریکه حتی یک درجه اشتباه به این معنی است که خنک سازی پنل های خورشیدی هم باید تا 35 درصد افزایش پیدا کند. به همین خاطر هم ناسا سیستم کنترل مخصوصی را توسعه داده که با دقت فراوان همه چیز را از موقعیت کاوشگر نسبت به خورشید تا زاویه باتری های خورشیدی کنترل می کند. همین موضوع هم موجب می شود تا پارکر یکی از خودکارترین کاوشگرهای ساخته شده تا به امروز باشد.

زمانی که پارکر به نزدیکترین فاصله خود به خورشید یعنی به حدود 5.9 میلیون کیلومتری سطح آن برسد، در حقیقت هفت برابر نسبت به هر فضاپیمایی که تاکنون از نزدیکی خورشید عبور کرده، به آن نزدیکتر خواهد شد. دلیل اینکه پارکر تا این حد به خورشید نزدیک می شود هم، به آزمایش هایی در محدوده کرونا باز می گردد که عملاً انجام آنها از فاصله دور ممکن نیست.

به جزء پاسخ گفتن به سوالات کوچک و بزرگ ما، هدف دیگری هم پشت این پرتاب ها وجود دارد و آن، تلاش برای افزایش فاصله دریافت اخطار انتشار یک طوفان خورشیدی از طریق کاوشگرها یا ابزارهای رصدی مختلف است. در حال حاضر به لطف کاوشگر ACE تقریباً 30 تا 60 دقیقه زودتر از زمان انتشار یک طوفان خورشیدی از انتشار آن باخبر می شویم. زمانی که سرانجام هر دوی این ماموریت ها به محل استقرار خود برسند، ناسا امیدوار است که این مدت به یک تا دو روز افزایش پیدا کند. از آنجا که بادهای خورشیدی در نتیجه زبانه کشیدن شعله های خورشید به فضا منتشر می شوند، یک یا دو روز طول می کشد تا این فوران ها به زمین برسند. در نتیجه دانستن اینکه بادها در چه جهتی در حال انتشار هستند، اهمیت فراوانی برای ما خواهد داشت.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «کاوشگر پارکر چه ویژگی هایی دارد؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله محمدحسین جهان پناه در مجله دانستنیها، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.