|
خورشید
(برای دریافت این نوشتار در قالبPDF اینجا را کلیک کنید.)
چشمانداز کلی
خورشید ستارهای در مرکز سامانهی خورشیدی است. زمین و شیهای دیگر (از جمله سیارههای دیگر، سیارکها، سنگهای آسمانی، ستارههای دنبالهدار، و غبار) پیرامون خورشید میچرخند، که خودش کمابیش 99.8٪ از جرم سامانهی خورشیدی را دربردارد. انرژی خورشید، در ساختارهای نورِ آفتاب و گرما، به پشتیبانی از همهی گونههای زندگی بر روی زمین، بهوسیلهی فوتوسنتز، میپردازد و جو و آبوهوای زمین را مهار میکند.
سطح خورشید دربردارندهی هیدروژن (کمابیش 74٪ از جرم آن، یا 92٪ از حجمش)، هلیوم (کمابیش 24٪ از جرم آن، یا 7٪ از حجمش)، و مقدار ناچیزی از عنصرهای دیگر، از جمله آهن، نیکل، اکسیژن، سیلیکن، گوگرد، منیزیم، کربن، نئون، کلسیم، و کروم است. خورشید دارای ردهی بینابی G2V است که G2 به معنای آن است که دمای سطحی 5780 کلوینیش رنگ سفیدی به آن میدهد که به دلیل پراکندگی جوی، هنگامی که از روی زمین دیده میشود زردرنگ به نظر میرسد. این یک اثر کاهشی است، بهگونهای که «پراکندگیِ مقدم» طول موجِ کوتاهتر نورهای آبی و بنفش را حذف میکند، که موجب میشود بسامدهایی که چشم ما آنها را به صورت رنگ زرد آشکارسازی میکند، بر جای بمانند. آن چیزی که موجب رنگ آسمان میشود پراکندگی نور آبی در بخش پایانی بیناب است. هنگامی که خورشید در افق است نور بیشتری پراکنده شده که موجب نارنجی یا حتی سرخرنگ دیده شدن خورشید میشود.
تصویر خورشید از روی زمین
بیناب خورشید دربردارندهی خطهای فلزهای خنثی و یونیده است به همان ترتیب که دارای خطهای بسیار ضعیف هیدروژن است. V(پنج رُمَن) در ردهی بینابی نشان میدهد که خورشید، مانند بیشتر ستارگان، یک ستارهی رشتهی اصلی است. این به آن معناست که خورشید انرژیش را با همجوشی هستهای هیدروژن به هلیوم تولید میکند. بیش از 100 میلیون ستارهی ردهی G2 در کهکشان ما وجود دارد. با در نظر گرفتن ستارههای کوچک و نسبتا ناچیز، خورشید درخشانتر از 85٪ ستارگان کهکشان است که بیشتر آنها کوتولههای سرخ هستند.
خورشید در فاصلهی 26000 یا 27000 سال نوری از مرکز کهکشان است و پیرامون مرکز کهکشان راه شیری میچرخد. جهت حرکت برایند خورشید به سوی صورت فلکی ماکیان است و یک چرخش را در 225-250 میلیون سال به پایان میرساند. سرعت مداری خورشید 20±220 Km/s به دست آمده بود که براوردهای تازهتر Km/s 251 را پیشنهاد میدهد. این همسنگ آن است که خورشید یک سال نوری را در بازهی 1190 سالی و یا یک واحد نجومی (AU) را در بازهی 7 روزی میپیماید. این اندازهگیریها برای فاصلهی کهکشانی و سرعت بر پایهی ابزارهای اندازهگیری و دانش کنونی ماست، و در آینده با افزایش دانش ما تغییر میکنند. از آنجا که کهکشان ما نسبت به تابش زمینهی کیهانی (CMB) در جهت صورتی فلکی مار با سرعت Km/s 550 حرکت میکند، سرعت برایند خورشید نسبت به CMB کمابیش Km/s 370 و در جهت صورت فلکی پیاله یا صورت فلکی شیر است.
خورشید هماکنون درون ابرِ میانستارهای محلی در ناحیهی کمچگال حباب محلیِ گازِ دمابالایِ پراکنده، و در لبهی درونی بازوی شکارچی کهکشان راه شیری، میان بازوهای برساووش بزرگتر و کماندار کهکشان در حرکت است.
خورشید یک ستارهی جمعیت I، غنی از عنصرهای سنگین، است. شاید ساختیافتن خورشید توسط موجهای تکاندهنده و سخت ناشی از یک یا دو اَبَرنواختر نزدیک آغاز شده باشد. این نظریه به دلیل فراوانی بالای عنصرهای سنگین همچون طلا و اورانیوم در سامانهی خورشیدی ما در مقایسه با فراوانی این عنصرها در ستارههای جمعیت II (دارای عنصرهای سنگین کم) پیشنهاد شده است. این عنصرها بهطور محتمل توسط واکنشهای هستهای انرژیگیر، در جریان یک ابرنواختر، یا توسط تکامل جذب نوترونی درون یک ستارهی نسل دومی سنگین تولید شده اند.
خورشید از نظر مغناطیسی یک ستارهی فعال است. خورشید یک میدان نیرومند و در حال دگرگونی دارد که سالبهسال دگرگون میشود و هر یازده سال جهت را پیرامون بیشینهی خورشیدی برعکس میکند. میدان مغناطیسی خورشیدی سرچشمهی بسیاری از اثرهایی است که، در مجموع، فعالیت خورشیدی نامیده میشوند، از جمله لکههای خورشیدی بر روی سطح آن، زبانههای خورشیدی، و دگرگونیهایی در باد خورشیدی که ماده را به سراسر سامانهی خورشیدی منتقل میکند. اثرهای فعالیت خورشیدی بر روی زمین دربردارندهی شفقهای قطبی در محدودهی عرضهای جغرافیایی بالا، و قطعی ارتباطات رادیویی و توان الکتریکی است. به نظر میرسد که فعالیت خورشیدی نقش پررنگی را در ساختیابی و تکامل سامانهی خورشیدی بازی کرده است. فعالیت خورشیدی ساختار جو بیرونی زمین را دگرگون میسازد.
اگرچه خورشید نزدیکترین ستاره به زمین است و از سوی دانشمندان بسیاری مطالعه شده است، باز هم پرسشهای پرشماری دربارهی آن بیپاسخ مانده است. عنوانهای کنونی پرسشها دربردارندهی چرخهی منظم فعالیت لکههای خورشیدی، فیزیک و خاستگاه زبانههای خورشیدی و برجستگیها، برهمکنش مغناطیسی میان فامسپهر و تاج خورشیدی، و خاستگاه (سرچشمهی پیشرانش) باد خورشیدی است.
چرخهی زندگی
عمر کنونی خورشید در رشتهی اصلی، که با الگوهای رایانهای تکامل ستارهای و نوکلئوکازموکرونولوجی براورد شده است، به نظر در حدود 4.57 میلیارد سال است. دانسته شده است که در حدود 4.59 میلیارد سال پیش، رُمبش تند یک ابر مولکولیِ هیدروژنی راه را برای ساختیابی یک ستارهی TTauri-ی جمعیت I نسل سوم هموار کرد؛ این ستاره خورشید بود. به نظر میرسد که ستارهی در حال پیدایش مداری تقریبا دایرهای، با فاصلهی 26000 سال نوری از مرکز کهکشان راه شیری، داشته است.
خورشید تقریبا در نیمهی راه تکامل رشتهی اصلی خود است، که در آن واکنشهای گداخت هستهای در هستهی آن هیدروژن را به هلیوم میگدازد. هر ثانیه، بیش از چهار میلیون تن ماده در هستهی خورشید به انرژی تبدیل میشود، که نوترینو و تابش خورشید را تولید میکند؛ با این آهنگ خورشید تاکنون کمابیش به اندازهی 100 جرم زمینی را به انرژی تبدیل کرده است. خورشید درکل ده میلیارد سال را به عنوان یک ستارهی رشتهی اصلی خواهد گذراند.
خورشید دارای جرم کافی برای انفجار بهعنوان یک اَبَرنواَختر نیست. به جای آن، در حدود 5 میلیارد سال پس از اکنون، خورشید وارد فاز غول سرخ میشود، لایههای بیرونیتر گسترش مییابد و در همان حال سوخت هیدروژن در هسته به پایان رسیده و هسته همکشیده و داغ میشود. گداخت هلیوم هنگامی آغاز میشود که دمای هسته به حدود 100 میلیون کلوین میرسد و کربن تولید خواهد کرد. در همین حال به فاز شاخهی غولیِ مجانبی وارد میشود. سرنوشت زمین روشن نیست. خورشید در آینده به عنوان یک غول سرخ دارای شعاعی فراتر از مدار کنونی زمین، یک AU (m 1011 × 1.5)، خواهد بود که 250 برابر شعاع کنونی خورشید است. هنگامی که خورشید یک ستارهی شاخهی غولی مجانبی است، کمابیش بیش از 30٪ جرم کنونیش را توسط باد خورشیدی از دست خواهد داد و از این رو مدار سیارهها بزرگتر خواهد شد. اگر موضوع تنها همین بود شاید زمین رهایی مییافت ولی پژوهشهای تازهتر پیشنهاد میکنند که زمین توسط خورشید، و به دلیل برهمکنشهای کِشَندی، فرو خورده میشود. حتی اگر زمین از سوختن در خورشید برهد آبهای آن میجوشد و بیشتر جو آن به سوی فضا خواهد گریخت. درواقع، حتی در روزگار زندگیش در رشتهی اصلی رفتهرفته درخشانتر میشود، و دمای سطحش به آرامی افزایش مییابد. افزایش دمای خورشیدی چنان است که در حدود یک میلیارد سال سطح زمین چنان داغ میشود که آب مایع وجود نخواهد داشت و این به معنای پایان زندگی است.
چرخهی زندگی خورشید - در این تصویر اندازهها رعایت نشدهاند.
در تشریح فاز غول سرخی، تپش گرمایی شدید موجب میشود که خورشید لایههای بیرونی خود را به بیرون پرتاب کند که در پی آن یک سحابی سیارهای ساخت مییابد. تنها چیزی که پس از بیرون راندن لایه های بیرونی بر جای میماند هستهی ستارهای بسیار داغ است، که به آرامی سرد و بینور میشود و به عنوان یک کوتولهی سفید در طی میلیاردها سال خواهد زیست. این نمایشنامهی تکامل ستارهای، سرنوشت معمول ستارگان کمجرم و میانهجرم است.
ساختار
خورشید یک ستارهی رشتهی اصلی زردرنگ است که در حدود 99٪ از همهی جرم سامانهی خورشیدی را در بر گرفته است. خورشید یک گوی تقریبا کامل است؛ با پهنشدگی 9 میلیونیوم، که به معنای آن است که قطر قطبی آن تنها 10 کیلومتر با قطر استوایش تفاوت دارد. از آنجا که خورشید در وضعیت پلاسمایی است و جامد نیست در استوایش تندتر از قطبهایش میچرخد. این رفتار به عنوان چرخش دیفرانسیلی شناخته شده است. چرخهی این چرخش واقعی تقریبا 25 روز در استوا و 35 روز در قطبهاست. با توجه به نقطهی تفوقِ دائما در حال تغییر ما از زمین، که به گرد خورشید میچرخد، چرخش ظاهری خورشید در استوایش 28 روز است. اثر گریز از مرکز این چرخش آهسته 18 میلیون بار ضعیفتر از گرانش سطحی در استوای خورشید است. اثر کِشَندی سیارهها از این هم ضعیفتر است و به طور معناداری بر شکل خورشید اثر نمیگذارد.
خورشید مرز معینی ندارد و در بخشهای بیرونی چگالی گازهایش تقریبا به طور نمایی با افزایش فاصله از مرکزش کاهش مییابد. با این حال، خورشید ساختار درونی مشخصی دارد، که در دنباله به شرح آن میپردازیم. شعاع خورشید از مرکزش تا لبهی شیدسپهر در نظر گرفته میشود. این، لایهی بالای جایی است که گازها خیلی سرد یا خیلی باریک هستند تا مقدار معناداری نور بتاباند، و از این رو سطحی است که بیشترین وضوح را برای چشم غیرمسلح دارد. هستهی خورشید 10٪ از حجم کل را در بر دارد و در همین حال 40٪ از جرم کل را.
نمایشی از ساختار خورشید
درون خورشید را نمیتوان به طور مستقیم دید، و خورشید خودش نسبت به تابش الکترومغناطیسی مات است. همانگونه که در لرزهشناسی موجهای تولیدشده توسط زمینلرزهها را برای آشکارسازی ساختار درونی زمین به کار میبرند انتظام خورشیدلرزهشناسی موجهای فشاری (فراصوت) را برای پیمودن درون خورشید و اندازهگیری و تصویرسازی ساختار درونی خورشید به کار میبرند. الگوسازی رایانهای خورشید همچنین به عنوان یک ابزار نظری برای پژوهیدن لایههای درونیتر به کار میرود.
هسته
هستهی خورشید از مرکزش تا 0.2 شعاعش در نظر گرفته میشود. آن دارای چگالی بیشینهی Kg/m3 150000 (150 بار چگالتر از آب بر روی زمین) است و نیز دمایی نزدیک به 13600000 کلوین (و خیلی بیشتر از دمای 5800 کلوینی سطح آن را) دارد. تحلیل تازهای توسط کشتی فضایی SOHO آهنگ چرخش تندتر در هسته نسبت به بقیهی ناحیهی تابشی را تایید میکند. در سراسر بیشتر زندگی خورشید، انرژی توسط گداخت هستهای، و در طی رشتهای از مرحلهها که زنجیرهی پروتون-پروتون نامیده میشوند، تولید میشود؛ این پردازش هیدروژن را به هلیوم تبدیل میکند. هسته تنها جایی در خورشید است که مقدار قابل توجهی گرما را از راه گداخت تولید میکند؛ بقیهی خورشید با انتقال انرژی از هسته به سوی بیرون گرم میشود. همهی انرژی تولیدشده در هسته توسط گداخت باید از لایههای پیاپی بسیاری تا شیدسپهر بگذرد پیش از این که به عنوان نور خورشید یا انرژی جنبشی ذرات به فضا بگریزد. کمابیش در هر ثانیه 1038 × 3.4 پروتون (هستهی هیدروژن) به هستهی هلیم تبدیل میشود (بیش از 1056×8.9 ̴ پروتون آزاد در خورشید هست)، و انرژی را از ماده تولید میکند. آهنگ تبدیل انرژی 4.26 میلیون تن بر ثانیه، 383 یوتاوات (W 1026×3.83) یا 1010×9.15 مگاتن تیانتی بر ثانیه است، که مرتبط است با یک آهنگ کم و شگفتانگیز تولید انرژی در هستهی خورشید – در حدود µW/cm3 0.3 (میکرو وات بر توان سوم سانتیمتر)، یا در حدود µW/Kg 6 ماده. برای مقایسه، بدن آدمی گرما را با آهنگ W/Kg 1.2 تولید میکند، تقریبا یک میلیون بار بیشتر.
آهنگ گداخت هستهای به چگالی و دما بسیار وابسته است، از این رو آهنگ گداخت در هسته یک تعادل خوداصلاحگر است؛ آهنگ گداختِ کمی بالاتر میتواند موجب افزایش دمای هسته و گسترش در برابر جرم لایههای بیرونی شود و در پی آن، کاهش آهنگ گداخت و درستسازی اختلال را خواهیم داشت؛ یک آهنگ کمی پایینتر میتواند موجب سرد شدن و انقباض شود و در پی آن افزایش آهنگ گداخت و بازگشت دوباره به تعادل را خواهیم دید.
فوتونهای پرانرژی (پرتوهای گاما) که در واکنشهای گداخت آزاد میشوند در تنها چند میلیمتر اول پلاسمای خورشیدی جذب شده و سپس دوباره و در یک جهت تصادفی (و با مقدار انرژی پایینتر) واتابش میشوند – از این رو زمانی طولانی باید بگذرد تا تابش بتواند به سطح خورشید برسد. برای «زمان سفر فوتون» 10000 – 170000 سال را براورد کردهاند.
پس از سفر در درازای لایهی بیرونی همرفتی به سطح شفاف شیدسپهر، فوتونها به عنوان نور مرئی میگریزند. هر پرتو گاما در هستهی خورشید پیش از گریز به فضا به چندین میلیون فوتون نور مرئی تبدیل میشود. نوترینوها هم توسط واکنشهای گداخت در هسته آزاد میشوند، ولی برعکسِ فوتونها خیلی کم و بهندرت با ماده واکنش میدهند، از این رو اغلب به سرعت از خورشید میگریزند. اندازهگیری شمار نوترینوهای تولید شده در خورشید، در طی سالهای بسیار، با ضریبی از 3، کمتر از پیشبینی نظریهها بودند. به تازگی، این ناهمخوانی با یاری کشف اثرهایی از نوسان نوترینویی برطرف شده است؛ درواقع خورشید همان تعداد نوترینوهایی که نظریه پیشبینی کرده است را تولید میکند ولی آشکارسازهای نوترینو، دو سوم آنها را از دست میدادند که دلیلش تغییر طعم نوترینوهاست.
ناحیهی تابش
مواد درون خورشید در فاصلهی 0.2 تا 0.7 شعاع چنان گرم و چگال هستند که تابش گرمایی برای انتقال گرمای بسیار شدید به سوی بیرون کافی باشد. در این ناحیه همرفت گرمایی وجود ندارد. تابش گرما را منتقل میکند – یونهای هیدروژن و هلیم فوتونها را منتشر میکنند که این فوتونها مسافت کوتاهی را پیش از جذب دوباره توسط یونهای دیگر میپیمایند. در این گذرگاه، انرژی راهش به سوی بیرون را بسیار کند میپیماید (پخش پیشین را بخوانید). میان ناحیهی تابش و ناحیهی همرفت یک لایهی گذار با نام تاکوکلاین وجود دارد. اینجا ناحیهای است که رژیم تیز میان چرخش یکنواخت ناحیهی تابش و چرخش دیفرانسیلی ناحیهی همرفتِ نتیجهشده در یک شکاف بزرگ تغییر میکند – یعنی شرایطی که در آن لایههای عمودی پیاپی به یکدیگر میلغزند.
ناحیهی همرفت
پلاسمای خورشیدی در لایهی بیرونی خورشید آن اندازه چگال یا داغ نیست تا انرژی گرمایی را با تابش از درون به سوی بیرون منتقل کند. همرفت گرمایی، به عنوان یک پیامد، به صورت ستونهای گرمایی واقع میشود که مادهی داغ را به سطح خورشید (شیدسپهر) حمل میکنند. هنگامی که ماده در سطح سرد شود به سوی پایین، پایهی ناحیهی همرفت، بازمیگردد تا گرمای بیشتری را از ناحیهی تابش دریافت کند. به نظر میرسد که فرارفت همرفتی بر پایهی ناحیهی همرفت رخ میدهد، و دانفلوهای متلاطم را به لایههای بیرونی ناحیهی تابش حمل میکند.
ستونهای گرمایی در ناحیهی همرفت نقشی را بر روی سطح خورشید، و در ساختار برآمدگیهای خورشیدی و فرابرآمدگیها، شکل میدهد. همرفت متلاطم این بخش بیرونیترِ درون خورشید یک دینام کوچکمقیاس را ایجاد میکند که موجب تولید قطبهای شمال و جنوب مغناطیسی در سراسر سطح خورشید میشود. ستونهای گرمایی خورشید یاختههای بِنارد هستند و از این رو به بودن در ساختار بلورهای ششگوشی گرایش دارند.
شیدسپهر
شیدسپهر سطح دیدهشدنی خورشید است که لایهی زیرِ جایی است که خورشید برای نور مرئی کدر میشود. بالای شیدسپهر، نور خورشید مرئی برای انتشار در فضا آزاد است؛ انرژیش را به طور کامل از خورشید میرهاند. تغییر در شفافی به دلیل کاهش مقدار یونهای H- است که نور مرئی را به آسانی جذب میکند. به طور وارون، آن نور مرئی که ما میبینیم تولید شده توسط الکترونهایی است که با اتمهای هیدروژن واکنش میدهند تا یونهای H- را تولید کنند. همچنین شیدسپهر دارای ضخامت هزاران کیلومتر است که کمی ماتتر از هوای بر روی زمین است. از آنجا که بخش بالایی شیدسپهر سردتر از بخش پایانی است به نظر میرسد که در تصویری از خورشید، مرکز روشنتر از لبهی صفحهی خورشیدی است.
جو (اتمسفر)
بخشهای بالای شیدسپهر در مجموع جو خورشید را تشکیل میدهند. آنها را میتوان با بهکارگیری تلسکوپها در سراسر بیناب الکترومغناطیسی، از رادیویی تا نور مرئی و تا تابشهای گاما، دید. جو خورشید دربردارندهی پنج ناحیهی اصلی است: دماکمینه، فامسپهر، ناحیهی گذار، تاج، و خورشیدکره.
میدان مغناطیسی
همهی مواد درون خورشید، به دلیل دمای بالای آن، تنها در ساختار گاز و پلاسما هستند. این موضوع موجب میشود که خورشید بتواند در استوایش (در حدود 25 روز) تندتر از عرضهای جغرافیایی بالاتر (در نزدیکی قطبها تقریبا 35 روز) بچرخد. چرخش دیفرانسیلی عرضهای جغرافیایی خورشید موجب میشود که خطهای میدان مغناطیسی آن در گذر زمان تاب بخورند، و این خود موجب میشود که حلقههای میدان مغناطیسی از سطح خورشید درآمده و لکههای خورشیدی و زبانههای خورشیدی را پدید آورد.
این تصویر سرشت رشتهای پلاسما را نشان میدهد که در حال اتصال ناحیههای قطبش مغناطیسی متفاوت است.
این کنشِ تابخوردگی، دینام خورشیدی و یک چرخهی خورشیدی فعالیت مغناطیسی 11 ساله را موجب میشود، به گونهای که میدان مغناطیسی را هر یازده سال وارونه میکند.
لکههای خورشیدی
تاثیر میدان مغناطیسی چرخش خورشید بر روی پلاسما در محیط میانسیارهای، سطح کنونی خورشیدکرهای را پدید میآورد که با میدانهای مغناطیسی با جهتهای متفاوت، ناحیهها را جدا میکند. این پلاسما در محیط میانسیارهای همچنین مسئول شدت میدان مغناطیسی خورشید در مدار زمین است.
سطح کنونی خورشیدکرهای؛ که تا بیرون از لبههای سامانهی خورشیدی هم کشیده شده است.
اگر فضا یک خلاء بود آنگاه میدان دوقطبی مغناطیسی 4-10 تسلایی خورشید باید با توانسوم فاصله کاهش مییافت و به مقدار 11-10 تسلا میرسید. ولی مشاهدههای ماهوارهای نشان میدهند که 100 بار بزرگتر از آن یعنی در حدود 9-1 تسلاست. نظریهی مغناطوهیدرودینامیک (MHD) پیشگویی میکند که جنبش یک مایع هادی (مانند محیط میانسیارهای) در یک میدان مغناطیسی جریان الکتریکی را استنتاج میکند، که در چرخش میدانهای مغناطیسی را پدید میآورد، و در این رابطه همانند یک دینام MHD رفتار میکند.
|
