بازگشت لکه ها به خورشید

از روزگاران قدیم هر زمان سخن از زیبایی چهره ای می شد آن چهره را به خورشید یا ماه شبیه می کردند. اما دریغ آن که نه فقط ماه بر رخسار خود گودال ها و لکه های تیره ای ( دریا) دارد بلکه خورشید نیز لکه های کوچک و بزرگی بر چهره ی خود عیان دارد
خورشید ستاره ای فعال است و فعالیتش در همه ی لایه های داخلی،‌ سطحی و جوّی آن اتفاق می افتد. با این حال نمود ظاهری فعالیت های گوناگون خورشید در بخش های مختلف آن متفاوت است؛ در سطح رؤیت پذیر، که نورسپهر( فتوسفر) نام دارد، می توانیم نشانه های فعالیت خورشید را به طور مستقیم در قالب لکه های خورشیدی ببینیم؛ نقاط یا نواحی سیاهی که در سطح خورشید ظاهر می شوند، تحول می یابند و بعد از مدتی از بین می روند. لکه ها بارزترین نشانه های تغییرات در درون خورشیدند؛ زمانی که خورشید فعال است تعداد لکه ها به طور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد. از این رو تعداد، وسعت، مدت دوام و نحوه ی تغییرات لکه ها معیاری از میزان فعالیت های درونی خورشید است و همواره دانشمندان آن ها را ردیابی و دقیقاً بررسی می کنند زیرا تأثیر مستقیم بر آب و هوا و شرایط اقلیمی زمین دارد. از سوی دیگر تولید و گسیل ذرات باردار پرانرژی در زمان اوج گرفتن این فعالیت ها می تواند برای ماهواره های اطراف زمین و ساکنان ایستگاه فضایی ایجاد خطر کند.
تعداد لکه های خورشیدی در دوره های تقریباً منظم 11 ساله، که به چرخه ی خورشیدی معروف است تغییر می کند. در اوج فعالیت های خورشید تعداد لکه ها زیاد می شود در حالی که در سال های پایان دوره که به کمینه ی خورشیدی موسوم اند ممکن است چند هفته یا چند ماه هیچ لکه ای در سطح خورشید ظاهر نشود. اکنون دانشمندان خورشیدشناس اوایل سال آینده ی میلادی را برای بیشینه ی فعالیت خورشید پیش بینی کرده اند. البته شروع این دوره چندان هم به موقع نبوده است و با تأخیری یک یا دو ساله همراه است. با این حال به نظر می رسد خورشید در حال برخاستن از خواب طولانی و آرام خود است. در ماه های اخیر لکه های فراوانی با ابعاد گوناگون بر خورشید ظاهر شده اند و حتی در چند هفته ی اخیر چهره ی خورشید تقریباً هیچ گاه بدون لکه نبوده است. سرآمد همه ی این ها لکه ای موسوم به AR1339 است که ابعاد خیره کننده ای دارد و بزرگ ترین لکه ی ظاهر شده در سطح خورشید از سال 1384 /2005 تاکنون است.
درواقع این لکه مجموعه یا خوشه ای از چندین لکه ی کوچک تر است که هرکدام از آن ها به اندازه ی زمین خودمان اند. مجموعه ی آن ها در قالب ناحیه ی فعال شماره ی 1339با چشم غیرمسلح نیز دیده می شود( البته هیچ وقت بدون فیلتر مناسب به خورشید نگاه نکنید، حتی با چشم غیرمسلح. حداقل فیلتر مورد استفاده می تواند فیلتر جوشکاری نمره ی 14 یا دو فیلتر با نمره ی کمتر باشد). اکنون( در زمان نوشتن این مقاله) این لکه یک نیم دور کامل در سمت رو به زمین خورشید طی کرده است و در حال خزیدن به پشت خورشید است. با توجه به ابعاد بزرگ آن انتظار داریم در ادامه ی مسیرش کاملاً از بین نرود و دوباره بتوانیم آن را بعد از حدود دو هفته در لبه ی مخالف خورشید ببینیم. البته به خاطر داشته باشید که وقتی یک لکه ی خورشیدی بعد از گردش در سمت دور از زمین خورشید دوباره در لبه ی شرقی آن ظاهر می شود همان نام قبلی را نخواهد داشت و شماره ی جدیدی به آن داده می شود. حتی اگر دوباره لکه ی بزرگ را در سطح خورشید نبینیم( که بعید هم به نظر می رسد) باز هم لکه های دیگری در خورشید هستند که می توانیم با رصد کردن آن ها اطلاعات مفید و جالبی در مورد خورشید به دست بیاوریم.
لکه های خورشیدی همان طور که از نامشان برمی آید نواحی تاریکی بر سطح خورشیدند. اما آیا تاریک بودن به معنای خاموشی آن بخش از خورشید است؟ مسلماً خیر. کلبه ی کوچکی را در میان مزرعه ای در نظر بگیرید که درون آن با نور فانوسی روشن می شود و پنجره ی کوچکی هم دارد. درون کلبه روشن است و ساکنان آن به آسانی می توانند کارهای شان را در این نور انجام بدهند. اما شاید شما هم تجربه کرده باشید که اگر از فاصله ی دور به این کلبه نگاه کنیم می بینیم که پنجره های آن تاریک اند. این تاریکی ظاهری فقط به این علت است که شدت نور خروجی از پنجره ها در مقایسه با روشنایی محیط اطراف کمتر است و همین اختلاف در روشنایی سبب تاریک دیده شدن پنجره ها می شود. فرآیند مشابهی در مورد لکه های خورشید اتفاق می افتد؛ دمای لکه ها از سایر بخش های نورسپهر خورشید کمتر است؛ 4200 کلوین در مقایسه با دمای 5700 کلوینی سطح. این اختلاف دمای زیاد سبب ایجاد تفاوت در شدت نور خروجی از لکه ها و سطح می شود زیرا هرچه دمای جسمی بیشتر باشد نور بیشتری نیز گسیل می کند( قانون تابش جسم سیاه). از این رو لکه ها فقط در مقایسه با سطح درخشان خورشید است که تاریک دیده می شوند در حالی که اگر به تنهایی و در زمینه ی تاریک آسمان دیده می شدند به قدری روشن بودند که یکی از آن ها که 10 ثانیه ی قوس پهنا دارد چند ده برابر ماه کامل نورافشانی می کرد.
بهتر است برای درک علت کم بودن دما در لکه ها دو اصل فیزیکی زیر را به طور خلاصه بررسی کنیم: 1- انرژی در بیرونی ترین لایه ی خورشید و همه ی ستاره های خورشید مانند به روش همرفت انتقال می یابد. 2- لکه ها در مناطقی شکل می گیرند که خطوط میدان مغناطیسی خورشید، که همیشه و در همه جا حضور دارند، به هم فشرده و متمرکز می شوند.
انرژی تولید شده در کوره ی هسته ای مرکزی خورشید حدود سه چهارم مسیر رسیدن به سطح را به روش تابش منتقل می شود؛ همان شیوه ای که سبب می شود با نزدیک شدن به آتش، گرمای آن را احساس کنیم. انتقال انرژی در یک چهارم باقیمانده ی مسیر به روش همرفت انجام می شود؛ توده های عظیم پلاسمای زیر سطح خورشید، با دریافت انرژی تابشی رسیده از درون خورشید گرم می شوند و به طرف بالا شروع به حرکت می کنند با رسیدن به سطح، انرژی خود را تخلیه می کنند، ‌سرد می شوند و دوباره به لایه های پایین تر نزول می کنند تا این چرخه ادامه یابد. این همان فرآیندی است که سبب می شود اتاق بر اثر گرمای بخاری به طور یکنواخت گرم شود یا آب درون کتری به جوش بیاید. آن چه که به عنوان نشانه ای از انجام این فرآیند در خورشید دیده می شود همان اثر دانه دانه شدن سطح است که در تصاویری که با کیفیت عالی از خورشید گرفته شده اند می توان آن ها را دید.
خطوط میدان مغناطیسی نیز که در همه جای خورشید حاضرند در لایه های زیر سطحی آن ریشه دارند و بر اثر چرخش لایه های درونی خورشید و تحولات وابسته به آن ( دیناموی خورشیدی) پیوسته در حال بازتولید و تغییرند. گاهی بر اثر فعالیت های خاصی در لایه های درونی خورشید، خطوط میدان مغناطیسی در بخشی از سطح، به هم می پیچند و فشرده می شوند و تراکم شان در ناحیه ای محدود افزایش می یابد. این تراکم در خطوط میدان و « فشار مغناطیسی» ناشی از آن، سبب می شود حباب های همرفتی که عامل انتقال انرژی به سطح خورشیدند، نتوانند در آن ناحیه به طور کامل بالا بیایند و فرآیند انتقال انرژی ناقص می ماند. نتیجه این می شود که در مجاورت ناحیه ای که خطوط میدان فشردگی دارند، دما نسبت به سایر بخش های سطح پایین تر می ماند و آن بخش تاریک تر دیده می شود. به این ترتیب یک لکه ی خورشیدی شکل می گیرد. براین اساس، میدان مغناطیسی در محل لکه ها بسیار قوی تر، و تقریباً بر سطح خورشید عمود است. این ویژگی، بخشی از یک لکه ی خورشیدی است که سایه نام دارد. با دور شدن از سایه و بخش مرکزی لکه، خطوط میدان مغناطیسی به تدریج از حالت عمودی خارج می شوند و شیب ملایمی به سوی نورسپهر خورشید پیدا می کنند و این در حالی است که از تراکم آن ها نیز کاسته می شود. این بخش از لکه ی خورشیدی، نیم سایه نامیده می شود.
پلاسمای داغ خورشید در امتداد این خطوط جریان می یابد و ما این جریان را به صورت رگه های تاریک و روشنی که سراسر ناحیه ی نیم سایه را پر کرده اند می بینیم. در تصاویری که با تلسکوپ های آماتوری از لکه ها می بینیم. مرز بین سایه و نیم سایه کاملاً تیز و یکنواخت به نظر می رسد در حالی که اگر با ابزارهایی با توان تفکیک بهتر به این بخش نگاه کنیم، مشخص می شود که این مرز چندان هم صاف و یکنواخت نیست و ساختاری دندانه دار دارد. این مسأله در مورد مرزهای بیرونی نیم سایه نیز برقرار است. اما لبه های بیرونی رگه ها در مجاورت دمای بالاتر( نورسپهر) و لبه های داخلی شان در مجاورت دمای پایین تر( ناحیه ی درونی لکه ها) قرار دارد. همین اختلاف دمای بین دو انتهای خطوط میدان مغناطیسی است که سبب جریان یافتن ماده از سطح به طرف مرکز لکه می شود. علاوه بر این، مطالعات طیفی نشان می دهد که جریان معکوسی از ماده، از داخل لکه به طرف خارج آن نیز وجود دارد. شاید بتوان حضور رگه های تاریک و روشن متناوب در نیم سایه را به حضور دو جریان در خلاف جهت هم نسبت داد.
شاید شما هم این جمله را شنیده یا در کتابی خوانده باشید که در طبیعت تک قطبیِ مغناطیسی وجود ندارد. معنای این گفته این است که برخلاف بارهای الکتریکی مثبت و منفی که می توانند به طور جداگانه و مستقل از هم ایجاد شوند بارهای مغناطیسی یا قطب های مغناطیسی چنین خاصیتی ندارند و همواره باید قطب های مثبت و منفی( یا شمال و جنوب) مغناطیسی در کنار هم حضور داشته باشند. آزمایشی ساده این موضوع را به روشنی اثبات می کند؛ یک آهن ربای میله ای را هرچند مرتبه که به دو نیم کنیم دوباره قطعه ی حاصل، خود یک آهن ربای کامل با قطب های شمال و جنوب است و حتی در ابعاد خیلی کوچک نیز نمی توان قطب های آن را از هم جدا کرد. در لکه های خورشیدی نیز که میدان مغناطیسی را عامل اصلی ایجاد آن دانستیم خطوط میدانی که در بخشی از سطح، از خورشید خارج می شوند و یک لکه، یعنی قطب نخست مغناطیسی را به وجود می آورند، باید در جای دیگری در مجاورت لکه ی نخست به سطح خورشید برگردند تا قطب دیگر مغناطیسی، برای تکمیل آهن ربای عظیم، لکه را تشکیل دهند. بنابراین لکه ی دیگری در محل فرود خطوط میدان ایجاد می شود و لکه ها همواره به صورت جفت هایی که یکی از آن ها قطبش شمال و دیگری قطبش جنوب مغناطیسی دارند شکل می گیرند. البته ممکن است یکی از همدم های جفت لکه ها، خیلی از دیگری کوچک تر باشد و دیده نشود. حتی ممکن است این دو همدم خیلی به هم نزدیک باشند و به صورت یک لکه ی واحد رویت پذیر باشند.
معمولاً لکه های خورشیدی، به ویژه آن ها که کوچک ترند و به صورت جداگانه در سطح خورشید دیده می شوند شکل متقارن دارند. وقتی لکه ها نزدیک به مرکز قرص خورشید قرار دارند این تقارن به وضوح دیده می شود. با چرخش خورشید و رسیدن لکه ها به لبه، به علت زاویه ی قرارگیری شان نسبت به ناظر، شکل لکه ها کم کم از تقارن خارج می شود و به نظر می رسد لکه ها در عرضشان فشرده تر شده اند. این اتفاقی است که برای همه ی بخش های لکه، سایه و نیم سایه، به طور یکنواخت می افتد. علاوه بر این، تغییر شکل دیگری نیز در لکه ها مشاهده می شود. به این ترتیب که به نظر می رسد با دور شدن لکه از مرکز قرص خورشید، ناحیه ی سایه کاملاً در مرکز نیم سایه قرار نمی گیرد و هرچه لکه به لبه ی خورشید نزدیک تر می شود، غیر هم مرکز بودن افزایش می یابد و سایه به سوی مرکز قرص خورشید متمایل می شود.
تغییر شکل دوم، نه به علت خطای دید ناشی از زاویه ی خاص قرارگیری لکه در لبه ی خورشید بلکه به خاطر این حقیقت است که سطح سایه در یک لکه ی خورشیدی، حدود 500 کیلومتر پایین تر از سطح نیم سایه و نورسپهر خورشید قرار دارد. این اثر نخستین بار در سال 1769 مشاهده و به نام کاشف آن، به اثر ویلسون معروف شد. گفته می شود این اثر هم چنین سبب شد که لکه ها برای نخستین بار به عنوان عوارضی که در سطح خورشید قرار دارند و متعلق به خورشیدند تلقی شوند زیرا قبل از آن تصور بر این بود که پدیدار شدن لکه ها در سطح خورشید ناشی از عبور یکی از سیارات داخلی یا سیاره ای ناشناس از مقابل قرص خورشید است؛ پدیده ای که امروزه به عنوان گذر سیاره ای می شناسیم. به خاطر همین اثر ویلسون است که به نظر می رسد با نزدیک شدن لکه به لبه ی خورشید، نسبت عرض نیم سایه به سایه افزایش می یابد زیرا در این بخش از خورشید مساحت کامل نیم سایه دیده می شود، در حالی که بخشی از سایه که در عمق بیشتری قرار دارد با مرزهای درونی نیم سایه پوشیده و از دیدرس خارج می شود.
ما در این مقاله با اصول کلی حاکم بر لکه ها کمابیش آشنا شدیم. البته از توضیح کامل برخی مفاهیم مانند چرخه ی خورشیدی و نام گذاری لکه ها چشم پوشی کردیم. علاوه بر این، بحث های مفصلی در زمینه ی طبقه بندی شکل لکه ها، حرکت های آن ها،‌ طول عمر یا مدت دوامشان بر سطح خورشید، روش های علمی و ایمن رصد لکه ها و سایر عوارض سطحی خورشید و... مطرح اند که معرفی آن ها، و توضیح مفصل در موردشان را به شماره های آینده موکول می کنیم. بهتر است شما نیز در این مدت، با استفاده از ابزارهایی که در اختیار دارید یا حتی با چشم غیرمسلح، شروع به رصد خورشید کنید تا با اصول اولیه ی کارهایی که در ادامه انجام خواهیم داد آشنا شوید. یک بار دیگر تأکید می کنیم که: « هیچ گاه بدون استفاده از فیلتر مناسب به خورشید نگاه نکنید!».
منبع: نشریه نجوم،‌ شماره 214.