رازگشایی شفق قطبی: KiNET-X چه یافته‌های تکان‌دهنده‌ای داشت؟

کاوش‌های نوین KiNET-X و رمز و رازهای شفق قطبی

نتایج هیجان‌انگیزی که اخیراً از یک آزمایش در سال 2021 به دست آمده، توسط دانشمندان دانشگاه آلاسکا فیربنکس انجام شده. این یافته‌ها به تدریج، فرایندهای ذره‌ای را که باعث شکل‌گیری و رقص سریع شفق‌های قطبی می‌شوند، روشن می‌کند. آزمایش انتقال انرژی و اندازه حرکت در مقیاس جنبشی، یا همان KiNET-X، در تاریخ 16 مه 2021 از تأسیسات پروازی والوپِس ناسا در ایالت ویرجینیا به فضا پرتاب شد و در آخرین ساعات روز پایانی از یک دوره نُه روزه، به انجام رسید.

تحلیل نتایج این آزمایش، به قلم پروفسور پیتر دلامر از دانشگاه آلاسکا صورت گرفت و در تاریخ 19 نوامبر در مجله Physics of Plasmas منتشر شد. دلامر می‌گوید: «نورهای شگفت‌آور شفق قطبی، پدیده‌هایی بسیار پیچیده‌اند. اتفاقات زیادی در آسمان در حال رخ دادن است و عوامل متعددی در محیط فضایی اطراف زمین، دست به دست هم می‌دهند تا این منظره‌ی زیبا را ایجاد کنند.»

وی در ادامه افزود: «درک روابط علت و معلولی در این سیستم بسیار دشوار است، چرا که ما دقیقاً نمی‌دانیم در فضا چه اتفاقاتی می‌افتد که منجر به درخشش شفق‌ها می‌شود. آزمایش KiNET-X یک تلاش بسیار موفقیت‌آمیز بود که رازهای بیشتری را از شفق قطبی برملا خواهد کرد.»

جزئیات دقیق آزمایش و یافته‌های آن

یکی از بزرگ‌ترین موشک‌های تحقیقاتی ناسا، بر فراز اقیانوس اطلس به سمت یونوسفر پرتاب شد و دو محفظه باریم ترمیت را در فضا رها کرد. این محفظه‌ها سپس منفجر شدند؛ یکی در ارتفاع حدود 249 مایلی و دیگری 90 ثانیه بعد، در مسیر نزولی در ارتفاع حدود 186 مایلی، نزدیک به مثلث برمودا. ابرهای حاصل از این انفجارها، هم از برمودا و هم توسط یک هواپیمای تحقیقاتی ناسا که در حال رصد بود، مورد مشاهده و بررسی قرار گرفتند.

هدف از این آزمایش، بازسازی یک محیط در مقیاس کوچک بود که در آن، انرژی کم باد خورشیدی به انرژی بالایی تبدیل می‌شود و پرده‌های درخشان و سریع‌الحرکتی که به نام شفق‌های قطبی می‌شناسیم، به وجود می‌آید. دلامر و همکارانش از طریق KiNET-X، توانستند درک بهتری از چگونگی شتاب گرفتن الکترون‌ها به دست آورند.

دلامر اشاره کرد: «ما الکترون‌های پرانرژی را تولید کردیم. اگرچه نتوانستیم به اندازه‌ای الکترون تولید کنیم که شفق ایجاد شود، اما فیزیک بنیادی مرتبط با انرژی‌دار کردن الکترون‌ها در این آزمایش به خوبی مشاهده شد.»

این آزمایش، به دنبال ایجاد یک موج آلفون بود؛ نوعی موج که در پلاسمای مغناطیسی، مانند آنچه در جو بیرونی خورشید، مگنتوسفر زمین و دیگر نقاط منظومه شمسی وجود دارد، دیده می‌شود.

پلاسماها و امواج آلفون

پلاسما، حالتی از ماده است که عمدتاً از ذرات باردار تشکیل شده و می‌تواند در آزمایشگاه‌ها و آزمایش‌هایی مانند KiNET-X تولید شود. امواج آلفون زمانی شکل می‌گیرند که اختلالاتی در پلاسما، میدان مغناطیسی را تحت تاثیر قرار دهند. این اختلالات می‌توانند به روش‌های مختلفی ایجاد شوند، مانند تزریق ناگهانی ذرات از شعله‌های خورشیدی یا برهم‌کنش دو پلاسما با تراکم‌های متفاوت.

تجربه KiNET-X

در KiNET-X، با تزریق باریم به جو بالای زمین، یک اختلال در پلاسما ایجاد شد و به این ترتیب، موج آلفون به وجود آمد. نور خورشید، باریم را به پلاسمای یونیزه تبدیل کرد. دو ابر پلاسما با یکدیگر تعامل کردند که نتیجه آن، تولید موج آلفون بود. این موج آلفون بلافاصله خطوط میدان الکتریکی را موازی با خطوط میدان مغناطیسی سیاره ایجاد کرد. همانطور که پیش‌بینی می‌شد، این میدان الکتریکی، الکترون‌ها را در امتداد خطوط میدان مغناطیسی با سرعت بیشتری به حرکت درآورد.

دلامر، یکی از محققان، گفت: «این نشان داد که ابر پلاسما باریم، برای مدت کوتاهی با پلاسمای محیط اطراف، ارتباط برقرار کرد و انرژی و اندازه حرکت را به آن منتقل کرد.». این انتقال، در قالب یک پرتو کوچک از الکترون‌های شتاب‌دار باریم که به سمت زمین در حرکت بودند، قابل مشاهده بود. این پرتو، تنها در داده‌های مربوط به خطوط میدان مغناطیسی آزمایش قابل مشاهده بود. دلامر آن را با عنوان “نقطه طلایی داده‌ها” توصیف کرد.

تحلیل داده‌ها و نتایج به دست آمده

تجزیه و تحلیل این پرتو، که تنها به صورت سایه‌های متغیر سبز، آبی و زرد در تصاویر داده‌های دلامر قابل مشاهده است، می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا بفهمند چه فرآیندهایی در حال رخ دادن است که منجر به ایجاد نورهای رقصان شمالی می‌شود. یافته‌ها تاکنون، نشان‌دهنده یک پروژه موفق هستند که حتی می‌تواند اطلاعات بیشتری نسبت به آزمایش‌های قبلی ارائه دهد. دلامر گفت: «این پرسشی است که می‌کوشد با استفاده از تمامی داده‌ها و شبیه‌سازی‌های عددی، یک تصویر کلی را ترسیم کند.»

همکاری دانشجویان و محققان

سه دانشجوی دکترای مؤسسه ژئوفیزیک UAF نیز در این پروژه مشارکت داشتند. متیو بلاندین، پشتیبانی عملیاتی را در تأسیسات پروازی والوپِس انجام داد، کایلی برنینگ، دوربین‌ها را روی یک هواپیمای Gulfstream III ناسا، که از مرکز تحقیقاتی لنگلی در ایالت ویرجینیا پرواز می‌کرد، کنترل می‌کرد و ناتان بارنز در مدل‌سازی کامپیوتری در فیربنکس کمک کرد. این آزمایش، همچنین شامل محققان و تجهیزاتی از دانشگاه دارتموث، دانشگاه نیوهمپشایر و دانشگاه کلمسون بود.