بلازما الليزر في المختبر تعيد إنتاج تسخين الوهج النانوي الشمسي

أعاد فيزيائيون في الصين إنتاج عملية في المختبر قد تساعد في تفسير سبب كون الغلاف الجوي الخارجي للشمس أسخن بمئات المرات من سطحها: فقد التقت الحقول المغناطيسية في بلازما مولّدة بالليزر وحوّلت الطاقة المغناطيسية إلى حرارة.

نُشر العمل، الذي أنجزه فريق يضم وي سون من معهد الصين للطاقة الذرية ويونغلي بينغ من جامعة بكين العادية، عبر الإنترنت في 20 أكتوبر في Physical Review Letters.

لغز الإكليل الساخن

تبلغ حرارة السطح المرئي للشمس نحو 5500 درجة مئوية، بينما قد تتجاوز حرارة غلافها الجوي الخارجي، الإكليل، مليون درجة مئوية. وقد حاول العلماء لعقود تفسير كيف تبقى هذه الطبقة الرقيقة ساخنة إلى هذا الحد. ومن المشتبه بهم وهجات صغيرة لا حصر لها، تُسمى الوهجات النانوية، يمكن أن تمدّ الإكليل بالحرارة مجتمعةً. وتختبر التجربة الجديدة محفّزًا محتملًا لبعضها.

الشمس مليئة بالبلازما، وهي حالة من المادة تتكون من جسيمات مشحونة، وتخترقها حقول مغناطيسية. وعندما تلتقي حقول متعاكسة الاتجاه وتعيد الاتصال، تتحرر الطاقة المغناطيسية المخزنة وتسخّن الجسيمات. وتُسمى هذه العملية إعادة الاتصال المغناطيسي.

كيف جرت التجربة

في منشأة الليزر «شنقوانغ-2» في شنغهاي، أطلق الباحثون أربع حزم ليزر متداخلة على هدف بلاستيكي ذي سطح مموّج بدقة. استمرت كل نبضة جزءًا من مليار جزء من الثانية وحوّلت مادة الهدف إلى بلازما. وبينما كانت البلازما تتمدد في وسط أقل كثافة بكثير وتتباطأ، نمت التموجات عند حدودها لتصبح «أصابع» وبنى على شكل فطر، وهو سلوك يُعرف بعدم استقرار رايلي–تايلور.

ولّدت البلازما حقولها المغناطيسية الخاصة حول هذه «الأصابع»، وحملت البنى المتجاورة حقولًا متعاكسة الاتجاه. وأظهرت المحاكاة الحاسوبية أن «الأصابع» المتمددة دفعت هذه الحقول معًا فأعادت الاتصال وسخّنت البلازما المحيطة بها.

ماذا أظهرت القياسات

كرر الفريق التجربة بهدف بلاستيكي مسطح، فأعطى تدفقًا أكثر سلاسة بلا «أصابع». ومن الأشعة السينية التي أصدرتها البلازما قدّر الباحثون درجة حرارة إلكتروناتها. ومع الهدف المموّج بلغت ذروة حرارة الإلكترونات نحو 820 ألف درجة مئوية، أما مع الهدف المسطح فكانت نحو النصف. وفي محاكاة منفصلة مُنع فيها تكوّن الحقول المغناطيسية، اختفى التسخين الإضافي إلى حد بعيد، مما يدعم دور الحقول.

وعلى الشمس، قد تنشأ ظروف مشابهة حيث تسقط بلازما باردة وكثيفة نسبيًا عبر الغلاف الجوي المحيط، وهي ظاهرة تُسمى المطر الإكليلي، مما يخلق حدودًا يمكن أن يتطور عندها عدم الاستقرار.

حدود المقارنة

كانت البلازما المخبرية أكثر كثافة بكثير من تلك الموجودة في الوهجات النانوية الشمسية، وجرت العملية على مقياس زمني أقصر بكثير. كما أن الإعداد لم يعد إنتاج التراكم الكامل للطاقة المغناطيسية على الشمس. وتدعم النتائج آلية يمكن أن تساعد في تسخين الإكليل؛ ويلزم مزيد من الرصد والتجارب لتحديد عدد مرات عملها على الشمس ومقدار التسخين الذي توفره. المزيد في قسم العلوم لدينا.