دلیل قطعی شکل‌گیری شفق قطبی ممکن است سرانجام کشف شود
دانشمندان موفق شدند نشانه‌هایی قطعی از چگونگی شکل‌گیری شفق قطبی بیابند که با نظریه‌های قبلی در این زمینه هم سازگاری دارد.
شفق قطبی یا نورهای شمالی که در آسمان مناطقی با عرض جغرافیایی زیاد دیده می‌شود، برای هزاران سال مردم را مجذوب خود کرده است. اگرچه تا کنون درباره‌ی چگونگی شکل‌گیری آن‌ها نظریه‌های زیادی بیان شده، هیچ یک به‌طور قطعی اثبات نشده بودند.
اما در یک مطالعه‌ی جدید، تیمی از فیزیکدانان به سرپرستی دانشگاه آیووا از شواهدی قطعی گزارش می‌دهند که نشان می‌دهد درخشان‌ترین شفق‌های قطبی توسط امواج الکترومغناطیسی قدرتمند در هنگام طوفان‌های ژئومغناطیسی شکل می‌گیرند. این پدیده‌ها که به امواج «آلفوِن» (Alfven) معروف هستند، الکترون‌ها را به سمت زمین سرعت می‌دهند و باعث می‌شوند که ذرات، نمایش آشنای نورهای جوی را ایجاد کنند.
این مطالعه که ۷ ژوئن (۱۷ خرداد) در نشریه‌ی «نیچر کامیونیکیشنز» (Nature Communications) منتشر شده، نتیجه‌ی تلاشی چند دهه‌ای برای نشان دادن تجربی سازوکار فیزیکی شتاب‌گیری الکترون توسط امواج آلفون، در شرایط مغناطیس‌سپهر زمین است.
«گرگ هاوز» (Greg Howes) دانشیار دانشکده‌ی فیزیک آیووا و از نویسندگان این مقاله گفت: «اندازه‌گیری‌ها نشان داد که این تعداد کم الکترون توسط میدان الکتریکی امواج آلفون تحت شتاب تشدید قرار می‌گیرند. مانند یک موج‌سوار که موجی را می‌گیرد و پیوسته با حرکت آن موج، شتاب می‌گیرد.»
دانشمندان می‌دانند که ذرات پرانرژی خورشید، مانند الکترون‌هایی که تقریبا با سرعت ۷۰ میلیون کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کنند، در امتداد خطوط میدان مغناطیسی زمین به سمت جو بالایی زمین شتاب می‌گیرند. در آن‌جا با مولکول‌های اکسیژن و نیتروژن برخورد و آن‌ها را برانگیخته می‌کنند و این مولکول‌های برانگیخته شده با انتشار نور به حالت پایدارتر می‌روند.
این نظریه توسط مأموریت‌های فضایی هم پشتیبانی می‌شود زیرا این مأموریت‌ها همواره امواج آلفون را شناسایی کرده‌اند که در بالای شفق‌ها به سمت زمین حرکت می‌کنند و احتمالا به الکترون‌ها در این مسیر سرعت می‌بخشند. با وجود اینکه اندازه‌گیری‌های فضایی از این تئوری پشتیبانی می‌کردند، محدودیت‌های ناشی از اندازه‌گیری‌های انجام شده توسط فضاپیما و موشک، از انجام یک آزمایش قطعی جلوگیری کرده بود.
طرحی گرافیکی از اثر امواج آلفون بر روی الکترون‌ها
Credit: UCLA
اما فیزیکدانان توانستند در یک سری آزمایش‌های انجام شده توسط «دستگاه بزرگ پلاسما» (Large Plasma Device) در تأسیسات بنیادی علوم پلاسمای دانشگاه کالیفرنیا لس‌آنجلس (UCLA) که یک مرکز تحقیقاتی ملی با پشتیبانی مشترک وزارت انرژی آمریکا و بنیاد ملی علوم آمریکا است، شواهد تأیید این نظریه را پیدا کنند.
«کریگ کلتزینگ» (Craig Kletzing) استاد دانشکده‌ی فیزیک و نجوم دانشگاه آیووا گفت: «این ایده که این امواج می‌توانند الکترون‌های ایجادکننده‌ی شفق قطبی را تحریک کنند، به بیش از چهار دهه پیش بازمی‌گردد اما این نخستین بار است که می‌توانیم به‌طور قطعی تأیید کنیم که این نظریه درست است.»
او افزود: «این آزمایش‌ها به ما اجازه می‌دهند تا با انجام اندازه‌گیری‌هایی کلیدی، دریابیم که اندازه‌گیری‌های انجام شده از فضا و نظریه‌ی موجود در این زمینه، در حقیقت همان روش اصلی ایجاد شفق قطبی را توضیح می‌دهند.»
پدیده‌ی الکترون‌های «موج‌سوار» در میدان الکتریکی یک موج، یک فرآیند نظری است که به عنوان میرایی یا جذب «لانداو» (Landau) شناخته می‌شود و نخستین بار توسط فیزیکدان روسی «لو لانداو» (Lev Landau) در سال ۱۹۶۴ میلادی ارائه شد. در مطالعه‌ی اخیر پژوهشگران با کمک شبیه‌سازی‌های عددی و مدل‌سازی ریاضی نشان دادند که نتایج آزمایش آن‌ها با امضای پیش‌بینی شده برای جذب لانداو مطابقت دارد.
«تروی کارتر» (Troy Carter) استاد فیزیک UCLA و مدیر مؤسسه‌ی علوم و فناوری پلاسمای این دانشگاه خاطرنشان کرد که تطابق آزمایش، شبیه‌سازی عددی و مدل‌سازی، نخستین شواهد مستقیمی است که نشان می‌دهد امواج آلفون می‌توانند باعث شتاب‌گیری الکترون‌ها و در نتیجه ایجاد شفق قطبی شوند.
او گفت: «این آزمایش چالش‌برانگیز به اندازه‌گیری شمار بسیار کمی الکترون، کمتر از یک الکترون به ازای هر هزار الکترون امواج پلاسما، نیاز داشت که در اتاق LPD با سرعت تقریبا یکسان با امواج آلفون رو به پایین حرکت می‌کردند.»
عکس کاور: طرحی گرافیکی از آزمایش پژوهشگران دانشگاه آیووا که با اندازه‌گیری‌های فضاپیماها از شفق قطبی مطابقت دارد.
Credit: Austin Montelius, University of Iowa
منبع: Phys.Org
