کشف اسرار خورشید با امواج صوتی؛ انقلابی در اخترفیزیک!

دانشمندان یک روش پیشگامانه با استفاده از لرزه شناسی خورشیدی برای اندازه‌گیری کدورت تابشی خورشیدی در شرایط شدید توسعه داده‌اند. این رویکرد نوآورانه که در مجله Nature Communications منتشر شده، نه‌تنها شکاف‌های موجود در درک ما از فیزیک اتمی را برجسته کرده، بلکه یافته‌های تجربی اخیر را نیز تأیید می‌کند. این پیشرفت‌ها، امکانات جدید و هیجان‌انگیزی را هم در اخترفیزیک و هم در فیزیک هسته‌ای باز می‌کنند.

کاوش در داخل خورشید از طریق امواج صوتی

لرزه شناسی خورشیدی، مطالعه نوسانات صوتی خورشید است که به دانشمندان اجازه می‌دهد تا ساختار داخلی این ستاره را با دقتی قابل‌توجه بررسی کنند. با تجزیه و تحلیل این امواج صوتی، محققان می‌توانند ویژگی‌های کلیدی پلاسمای خورشید، از جمله چگالی، دما و ترکیب شیمیایی آن را تعیین کنند. این بینش‌ها برای درک چگونگی عملکرد و تکامل خورشید در طول زمان ضروری هستند. این رویکرد اساساً خورشید را به یک آزمایشگاه اخترفیزیکی طبیعی تبدیل کرده و داده‌های حیاتی را برای بهبود مدل‌های ستاره‌ای و تعمیق دانش ما از تشکیل و تکامل ستاره‌ها در سراسر جهان فراهم می‌کند.

بینش‌های جدید در مورد کدورت تابشی خورشیدی

در یک مطالعه بین‌المللی جدید به رهبری گائل بولدژن از دانشگاه لیژ، دانشمندان از تکنیک‌های لرزه‌شناسی خورشیدی برای اندازه‌گیری مستقل نحوه جذب پرتوهای پرانرژی توسط پلاسمای خورشیدی در لایه‌های عمیق‌تر خورشید استفاده کردند. این تحقیق پیشگامانه، بینش‌های جدیدی را در مورد کدورت تابشی خورشیدی ارائه می‌دهد؛ عاملی حیاتی در درک چگونگی برهمکنش ماده و تابش در شرایط شدید درون هسته خورشید.

یافته‌ها با مشاهدات مؤسسات معتبری مانند آزمایشگاه ملی سندیا و تحقیقات در حال انجام در آزمایشگاه ملی لیورمور همخوانی دارد، در حالی‌که شکاف‌های موجود در درک ما از فیزیک اتمی را نیز برجسته می‌کند. به ویژه، این مطالعه اختلافاتی را در میان پیش‌بینی‌های نظری تیم‌های تحقیقاتی در آزمایشگاه ملی لس آلاموس، دانشگاه ایالتی اوهایو و مرکز تحقیقات CEA Paris-Saclay در فرانسه نشان داد که نیاز به بررسی بیشتر را برجسته کرده است.

دقت بی‌نظیر در مدل‌سازی ستاره‌ای

این تیم علمی از ابزارهای عددی پیشرفته توسعه‌یافته در دانشگاه لیژ، با تکیه بر تخصص دانشگاه در لرزه‌شناسی خورشیدی و مدل‌سازی ستاره‌ای استفاده کرد. گائل بولدژن توضیح می‌دهد:

با تشخیص امواج صوتی خورشید با دقت بی‌نظیر، می‌توانیم ویژگی‌های داخلی ستاره‌مان را بازسازی کنیم، درست همانطور که ویژگی‌های یک ساز موسیقی را از صداهایی که تولید می‌کند، استنباط می‌کنیم.

دقت اندازه‌گیری‌های لرزه شناسی خورشیدی استثنایی است: آنها به ما اجازه می‌دهند جرم یک سانتی‌متر مکعب از ماده داخل خورشید را با دقتی بیشتر از یک ترازوی آشپزخانه با دقت بالا، بدون دیدن یا لمس ماده، تخمین بزنیم. لرزه‌شناسی خورشیدی که در اواخر قرن بیستم توسعه یافت، نقش مهمی در پیشرفت فیزیک بنیادی ایفا کرده است. به ویژه، به اکتشافات بزرگ، مانند نوسانات نوترینو که جایزه نوبل 2015 آن را به رسمیت شناخت، کمک کرده است. این پیشرفت‌ها نشان داد که مدل‌های خورشیدی در منشأ این پدیده مقصر نبودند. با این وجود، با تجدید نظر در ترکیب شیمیایی خورشید در سال 2009 که در سال 2021 تأیید شد، تنظیماتی لازم بود. این تجدید نظر باعث بحرانی در مدل‌های خورشیدی شد که دیگر با مشاهدات لرزه‌شناسی خورشیدی همخوانی نداشتند.

برای مقابله با این چالش، ابزارهای پیشرفته‌ای در دانشگاه لیژ، ابتدا به عنوان بخشی از کار دکترای و سپس از طریق همکاری‌های بین‌المللی در بیرمنگام و ژنو غنی شدند. این ابزارها امکان بازبینی شرایط ترمودینامیکی داخلی خورشید و بازگشایی مسئله‌ای را که جامعه علمی تا حدودی از آن غافل شده بود، فراهم کردند. در همان زمان، کار انجام‌شده در سال 2015 توسط جیمز بیلی در آزمایشگاه ملی سندیا، نقش حیاتی کدورت تابشی را برجسته کرد. اولین اندازه‌گیری‌های تجربی ابتدا با کمی تردید روبه‌رو شدند، زیرا تفاوت‌های قابل‌توجهی را با پیش‌بینی‌های نظری نشان دادند.

هدایت آزمایش‌ها و تحقیقات آینده

اندازه‌گیری لرزه‌شناسی خورشیدی امروز، تأیید ارزشمندی ارائه می‌دهد و امکان تعیین دما، چگالی و رژیم‌های انرژی را که این آزمایش‌ها باید در آنها متمرکز شوند تا شرایط خورشیدی را بهتر بازتولید کنند، فراهم می‌کند. علاوه بر این، آزمایش‌های ماشین Z، اگرچه بسیار ارزشمند هستند، هزینه‌های انرژی و مالی بازدارنده‌ای دارند. از سوی دیگر، اندازه‌گیری‌های لرزه‌شناسی خورشیدی، در حالی‌که آزمایشگران را به سمت پنجره‌های بهینه برای اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی خود هدایت می‌کنند، جایگزینی اقتصادی و مکمل ارائه می‌دهند.

پیامدهای این تحقیق فراتر از مدل‌سازی ستاره‌ای است. این تحقیق، دقت مدل‌های نظری مورد استفاده برای تخمین سن و جرم ستاره‌ها و سیارات فراخورشیدی را بهبود می‌بخشد و در نتیجه به درک ما از تکامل کهکشانی و جمعیت‌های ستاره‌ای کمک می‌کند.

گائل بولدژن می‌افزاید:

خورشید، کالیبراتور بزرگ تکامل ستاره‌ای ما، آزمایشگاه ترجیحی ما برای یافتن این است که آیا در مسیر درست هستیم یا خیر. این نتایج از آنجایی‌که خود را برای پرتاب ماهواره PLATO در سال 2026 آماده می‌کنیم، از اهمیت بیشتری برخوردار است که یکی از اهداف آن، تعیین دقیق ستاره‌های نوع خورشیدی برای یافتن سیارات زمینی قابل سکونت است. علاوه بر این، این نتایج در همجوشی هسته‌ای نیز طنین‌انداز می‌شود، زیرا خورشید همچنان تنها راکتور همجوشی هسته‌ای پایدار در منظومه شمسی ما باقی مانده است. بهبود درک ما از شرایط داخلی خورشید مستقیماً بر تحقیقات انرژی همجوشی، موضوعی کلیدی در توسعه راه‌حل‌های انرژی پاک، تأثیر می‌گذارد.

اصلاح مدل‌های اتمی برای تکامل ستاره‌ای

نتایج، نیاز به بهبود مدل‌های اتمی موجود برای رفع اختلافات بین مشاهدات تجربی و محاسبات نظری را برجسته می‌کند. این پیشرفت‌ها باید درک ما از تکامل ستاره‌ای و فرآیندهای فیزیکی که ساختار و تکامل ستاره‌ها را کنترل می‌کنند، دوباره تعریف کند. این تحقیق، موقعیت دانشگاه لیژ را در لبه علم اخترفیزیک تأیید می‌کند و نقش کلیدی لرزه‌شناسی خورشیدی را در باز کردن اسرار کیهان نشان می‌دهد.

منبع: Scitechdaily