اولین نتایج موشک ۲۰۲۱: راز تولد شفق قطبی فاش شد!

نتایج جدید آزمایش KiNET-X و کشف رازهای شفق قطبی

نتایج تازه‌ای که از یک آزمایش در سال 2021 به رهبری یک دانشمند دانشگاه آلاسکا فیر بنکس منتشر شده است، به تدریج فرآیندهای ذره‌ای را که نوع خاصی از شفق‌های قطبی که با سرعت در آسمان رقص می‌زنند، ایجاد می‌کنند، آشکار می‌سازد. آزمایش انتقال انرژی و مومنتوم در مقیاس جنبشی، یا KiNET-X، در تاریخ 16 مه 2021 از تأسیسات پروازی والاپس ناسا در ویرجینیا به پرواز درآمد و در دقایق پایانی آخرین شب از دوره نه روزه پرتاب، انجام شد. تحلیل نتایج این آزمایش توسط پروفسور پیتر دلامر از دانشگاه آلاسکا فیر بنکس در تاریخ 19 نوامبر در نشریه Physics of Plasmas منتشر گردید.

دلامر در این باره گفت: «نورهای خیره‌کننده بسیار پیچیده هستند.» او افزود: «در اینجا اتفاقات زیادی در حال وقوع است و در محیط فضایی زمین نیز عوامل زیادی وجود دارد که به آنچه ما مشاهده می‌کنیم، منجر می‌شود.» او ادامه داد: «درک علّیت در این سیستم بسیار دشوار است، زیرا ما دقیقاً نمی‌دانیم چه چیزی در فضا در حال وقوع است که به نوری که در شفق مشاهده می‌کنیم، منجر می‌شود.» دلامر همچنین تأکید کرد: «KiNET-X یک آزمایش بسیار موفق بود که رازهای بیشتری از شفق را فاش خواهد کرد.»

جزئیات آزمایش و نتایج آن

یکی از بزرگ‌ترین موشک‌های تحقیقاتی ناسا بر فراز اقیانوس اطلس به سمت یونوسفر پرواز کرد و دو محفظه باریوم ترمیت را آزاد 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 برمودا. ابرهای حاصل از این انفجار بر روی زمین در برمودا و توسط یک هواپیمای تحقیقاتی ناسا تحت نظر قرار گرفتند. هدف این آزمایش این بود که در مقیاس دقیقه‌ای، محیطی را شبیه‌سازی کند که در آن انرژی پایین باد خورشیدی به انرژی بالایی تبدیل می‌شود که پرده‌های متحرک و درخشان معروف به شفق‌های مجزا را ایجاد می‌کند.

از طریق KiNET-X، دلامر و همکارانش به درک بهتری از چگونگی شتاب‌دهی الکترون‌ها نزدیک‌تر شده‌اند. دلامر گفت: «ما الکترون‌های انرژی‌دار تولید کردیم.» او افزود: «فقط به اندازه کافی از آن‌ها تولید نکردیم تا شفقی ایجاد کنیم، اما فیزیک بنیادی مربوط به انرژی‌دار کردن الکترون‌ها در این آزمایش وجود داشت.»

این آزمایش همچنین به دنبال ایجاد یک موج آلفون است، نوعی موج که در پلاسماهای مغناطیسی مانند آن‌هایی که در جو بیرونی خورشید، مغناطیس‌کره زمین و دیگر نقاط در منظومه شمسی وجود دارد، می‌باشد.

پلاسماها و امواج آلفون

پلاسماها که نوعی ماده هستند و عمدتاً از ذرات باردار تشکیل شده‌اند، می‌توانند در آزمایشگاه‌ها و تجربیاتی مانند KiNET-X ایجاد شوند. امواج آلفون زمانی به وجود می‌آیند که اختلالات در پلاسما بر میدان مغناطیسی تأثیر می‌گذارند. این اختلالات می‌توانند به روش‌های مختلفی ایجاد شوند، مانند تزریق ناگهانی ذرات از فوران‌های خورشیدی یا تعامل دو پلاسما با چگالی‌های متفاوت.

KiNET-X با تزریق باریم به جو بالای زمین، موج آلفونی ایجاد کرد. نور خورشید باریم را به پلاسماي یونیزه تبدیل کرد. دو ابر پلاسما با یکدیگر تعامل کردند و موج آلفون را ایجاد کردند. این موج آلفون به‌طور فوری خطوط میدان الکتریکی را موازی با خطوط میدان مغناطیسی سیاره ایجاد کرد و همان‌طور که پیش‌بینی شده بود، این میدان الکتریکی به‌طور قابل توجهی الکترون‌ها را در خطوط میدان مغناطیسی شتاب داد.

دلماز گفت: “این نشان داد که ابر پلاسماي باریم به‌طور موقت با پلاسماي محیطی ارتباط برقرار کرده و انرژی و مومنتوم را به آن منتقل کرده است.” این انتقال به‌صورت یک پرتو کوچک از الکترون‌های شتاب‌دار باریم که به سمت زمین در حال حرکت بودند، نمایان شد. این پرتو تنها در داده‌های خطوط میدان مغناطیسی آزمایش قابل مشاهده است. دلماز آن را به “پرتو شفقی الکترون‌ها” تشبیه کرد و آن را “نقطه داده طلایی” آزمایش نامید.

تحلیل این پرتو که تنها به‌صورت سایه‌های متغیر سبز، آبی و زرد در تصاویر داده‌های دلماز قابل مشاهده است، می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا بفهمند چه اتفاقی برای ذرات می‌افتد تا نورهای رقصان شمالی ایجاد شوند. نتایج تا کنون نشان‌دهنده یک پروژه موفق است، پروژه‌ای که می‌تواند اطلاعات بیشتری از آزمایش‌های پیشین خود استخراج کند. دلماز گفت: “این سؤالی است که چگونه می‌توانیم با استفاده از تمام محصولات داده و شبیه‌سازی‌های عددی، تصویر کلی را کنار هم قرار دهیم.”

سه دانشجوی UAF که در حال انجام تحقیقات دکتری خود در مؤسسه ژئوفیزیک UAF هستند، نیز در این آزمایش شرکت کردند. متیو بلاندین از عملیات نوری در تأسیسات پروازی <والاپس حمایت کرد، کیلی برنینگ دوربین‌ها را بر روی یک هواپیمای Gulfstream III ناسا که از مرکز تحقیقاتی لنگلی در ویرجینیا پرواز می‌کرد کنترل کرد و ناتان بارنز در مدل‌سازی کامپیوتری در فیرنکس کمک کرد. این آزمایش همچنین شامل محققان و تجهیزات از دانشگاه دارتموث، دانشگاه نیوهمپشایر و دانشگاه کلمسون بود.