راز شفق‌های قطبی فاش شد: انفجار موشک ناسا، امواج آلفون و کشف‌های حیرت‌انگیز

پرده از رازهای شفق‌های قطبی با آزمایش KiNET-X و یافته‌های نو

تازه‌ترین نتایجی که از یک آزمایش در سال 2021، تحت هدایت علمی یک دانشمند از دانشگاه آلاسکا فیر بنکس منتشر شده، ذره‌ذره و به مرور، فرآیندهای ریزاتمی که باعث شکل‌گیری نوع خاصی از شفق‌های قطبی می‌شن که در آسمان با سرعت می‌رقصند، رو برملا می‌کنه. آزمایش انتقال انرژی و تکانه در مقیاس جنبشی، یا همون KiNET-X، در تاریخ 16 می 2021 از تأسیسات پروازی والاپس ناسا در ایالت ویرجینیا به فضا پرتاب شد و در دقیقه‌های پایانی آخرین شب از یک دوره 9 روزه پرتاب، به مرحله اجرا در اومد. تحلیل نتایج این آزمایش توسط پروفسور پیتر دلامر از دانشگاه آلاسکا فیر بنکس، در تاریخ 19 نوامبر در مجله Physics of Plasmas به چاپ رسید.

دلامر در این باره گفت: “این نورهای خیره‌کننده، خیلی پیچیده‌ان.” و اضافه کرد: “اتفاقای زیادی اونجا داره می‌افته و تو محیط فضایی کره زمین هم عوامل زیادی وجود دارن که به اونچه که ما می‌بینیم، منجر می‌شن.” او ادامه داد: “درک علت و معلولی تو این سیستم خیلی سخته، چون ما دقیقاً نمی‌دونیم چه اتفاقی تو فضا داره می‌افته که باعث اون نورها، یعنی شفق‌های قطبی میشه.” دلامر همچنین تأکید کرد: “KiNET-X یک آزمایش خیلی موفق بود که قراره رازای بیشتری از شفق رو برامون روشن کنه.”

جزئیات آزمایش و نتایج به دست اومده

یکی از بزرگ‌ترین موشک‌های تحقیقاتی ناسا، از فراز اقیانوس اطلس به سمت لایه یونوسفر پرواز کرد و دو محفظه باریم ترمیت رو آزاد کرد. این محفظه‌ها بعد منفجر شدن؛ یکی در ارتفاع حدود 249 مایلی و اون یکی 90 ثانیه بعد تو مسیر نزولی، در ارتفاع حدود 186 مایلی، نزدیک جزیره برمودا. ابرهای حاصل از این انفجارها، هم در برمودا و هم توسط یک هواپیمای تحقیقاتی ناسا تحت نظر قرار گرفتن. هدف از این آزمایش این بود که تو یه مقیاس زمانی خیلی دقیق، یه محیط رو شبیه‌سازی کنن که طی اون انرژی کم باد خورشیدی به انرژی بالا تبدیل میشه و پرده‌های متحرک و درخشان شفق‌های قطبی رو به وجود میاره.

دلامر و همکاراش، از طریق KiNET-X، به درک بهتری از این که چطور الکترون‌ها سرعت می‌گیرن، نزدیک‌تر شدن. دلامر گفت: “ما الکترون‌های پرانرژی تولید کردیم.” و اضافه کرد: “فقط به اندازه کافی ازشون تولید نکردیم که یه شفق قطبی بسازیم، اما فیزیک اساسی که مربوط به انرژی‌دار کردن الکترون‌ها بود، تو این آزمایش وجود داشت.”

همچنین هدف این آزمایش، ایجاد یک موج آلفون بود، یه نوع موج که تو پلاسماهای مغناطیسی وجود داره، مثل اونایی که تو جو بیرونی خورشید، مغناطیس‌کره‌ی زمین و جاهای دیگه از منظومه شمسی دیده می‌شه.

پلاسماها و امواج آلفون

پلاسماها که نوعی ماده هستن و عمدتاً از ذرات باردار درست شدن، می‌تونن تو آزمایشگاه‌ها و آزمایشاتی مثل KiNET-X به وجود بیان. امواج آلفون، وقتی به وجود میان که اختلالاتی تو پلاسما، روی میدان مغناطیسی تأثیر بذاره. این اختلال‌ها می‌تونن به روشای مختلفی ایجاد بشن، مثل تزریق ناگهانی ذرات از فوران‌های خورشیدی یا فعل و انفعال دو پلاسمای با چگالی متفاوت.

KiNET-X با تزریق باریم به جو بالای زمین، موج آلفون ایجاد کرد. نور خورشید، باریم رو به پلاسماي یونیزه تبدیل کرد. دو ابر پلاسما با هم تعامل کردن و موج آلفون رو ساختن. این موج آلفون، بلافاصله خطوط میدان الکتریکی رو موازی با خطوط میدان مغناطیسی سیاره ایجاد کرد و همون‌طور که پیش‌بینی شده بود، این میدان الکتریکی به طور قابل توجهی الکترون‌ها رو تو خطوط میدان مغناطیسی شتاب داد.

دلماز گفت: “این نشون داد که ابر پلاسماي باریم، به طور موقت با پلاسماي محیطی ارتباط برقرار کرده و انرژی و تکانه رو به اون منتقل کرده.” این انتقال، به صورت یه پرتو کوچیک از الکترون‌های باریم که دارن به سمت زمین حرکت می‌کنن، دیده می‌شد. این پرتو، فقط تو داده‌های خطوط میدان مغناطیسی آزمایش قابل دیدن بود. دلماز اون رو به “پرتو شفق الکترون‌ها” تشبیه کرد و “نقطه داده طلایی” آزمایش نامید.

تحلیل این پرتو که فقط به صورت سایه‌های متغیر سبز، آبی و زرد تو تصاویر داده‌های دلماز قابل دیدنه، می‌تونه به دانشمندا کمک کنه تا بفهمن چه اتفاقی برای ذرات می‌افته که این نورهای رقصان تو آسمون ایجاد می‌شه. نتایج تا الان نشون دهنده یه پروژه موفقه، پروژه‌ای که می‌تونه اطلاعات بیشتری از آزمایش‌های قبلی خودش استخراج کنه. دلماز گفت: “این سواله که چطور می‌تونیم با استفاده از تمام محصولات داده و شبیه‌سازی‌های عددی، تصویر کلی رو کنار هم بذاریم.”

سه تا از دانشجویان UAF که داشتن تحقیقات دکتراشون رو تو مؤسسه ژئوفیزیک UAF انجام می‌دادن، هم تو این آزمایش شرکت داشتن. متیو بلاندین تو تأسیسات پروازی والاپس از عملیات نوری حمایت کرد. کیلی برنینگ دوربین‌ها رو تو هواپیمای Gulfstream III ناسا که از مرکز تحقیقاتی لنگلی تو ویرجینیا پرواز می‌کرد، کنترل می‌کرد. ناتان بارنز هم تو مدل‌سازی کامپیوتری تو فیرنکس کمک کرد. این آزمایش، محقق‌ها و تجهیزاتی هم از دانشگاه دارتموث، دانشگاه نیوهمپشایر و دانشگاه کلمسون در خودش داشت.