نقش میدان مغناطیسی در شکل گیری کهکشان
علمی و تکنولوژی › جهان هستی
- 97/11/15
اخترشناسان به هنگام مطالعه ی دقیق کهکشانی نزدیک، برای نخستین بار میدان مغناطیسی قوی را کشف کردند که با پیچیدن حول بازوی مارپیچی اصلی این کهکشان، جریان گاز حول آن را تحت تاثیر قرار داده است. در دنیا چیزهایی هست که اگرچه دیده نمی شوند، اما در هر زمان و مکانی در کنار ما هستند. همان چیزهایی که ما را از تشعشعات فضایی محافظت می کنند و مانع می شوند اتمسفر ما (زمین) از هم بپاشد؛ این چیزها همان میدان های مغناطیسی زمین است. در واقع این موضوع بندرت ذهن ما را به خود مشغول کرده و بعید است بسیاری از ما حتی به آن فکر هم کرده باشیم.در ستاره شناسی نظری، قطب های مغناطیسی زمین بسیار کم اهمیت تر از قطب های جغرافیایی آن است. به هر حال این همان چیزی است که زندگی را روی سیاره زمین ممکن کرده؛ میدان های مغناطیسی. در واقع باید بگوییم با میدان های مغناطیسی، زمین همانگونه است که آن را می شناسیم؛ اساس آن بر جریان های الکتریکی ناشی از فلزات مذاب قرار گرفته؛ همان چیزی که هسته خارجی سیاره ما را شکل داده است.
در این مقاله شما می توانید ترجمه گزارش مجله BBC Sky به قلم لوئیس گرین استاد فیزیک و محقق انجمن سلطنتی در زمینه نقش مغناطیس در عالم را مطالعه نمایید.
بیایید به عقب برگردیم و از روی سطح ماه به زمین نگاه کنیم. از اینجا، زمین را می بینیم، اقیانوس ها را و جو زمین را، اما نمی بینیم که چطور میدان های مغناطیسی، زمین و فضای اطراف آن را احاطه کرده اند. بیشتر اوقات ماه درون میدان مغناطیسی زمین قرار دارد و تنها چند روزی هنگام پدیدار شدن ماه نو خارج از میدان مغناطیسی زمین قرار می گیرد. وقتی این پدیده رخ می دهد، ماه به درون بادهای منظومه شمسی حرکت می کند؛ این بادها اتمسفر خارجی خورشید است که با یک میلیون مایل بر ساعت حرکت می کنند.
سپر مغناطیسی
این بادها نمی توانند به میدان مغناطیسی زمین نفوذ کنند، اما در عوض به آن فشار محکمی وارد می کنند. اگرچه این کنش و واکنش با چشم انسان دیده نمی شود، اما مناظر عجیب و دیدنی پدیدار می کند که همان شفق قطبی است. هرچه این بادهای خورشیدی به میدان مغناطیسی زمین فشار بیشتری وارد کنند، انرژی بیشتری به این میدان می دهند تا ذرات باردار را به اتمسفر زمین بفرستد. وقتی ذرات با گازهای جوی زمین برخورد می کنند، انرژی شان را منتقل می کنند و باعث می شوند تا گازها بدرخشند.
بادهای خورشیدی به جو زمین نمی رسند؛ چون خودشان هم میدان مغناطیسی دارند. تا اینجا متوجه شدیم که هر میدان مغناطیسی که قصد وارد شدن به گازهای باردار الکتریکی (پلاسما) را داشته باشد، درون گازها گره می خورد؛ زیرا این گازها به راحتی از هم جدا نمی شوند. به همین خاطر است که وقتی جریان پلاسمای مغناطیسی شده به میدان مغناطیسی زمین می رسد، اطراف آن جریان پیدا می کند و باعث می شود تا آن حرکت کند و موج بردارد؛ درست مثل یک نسیم ملایم. همین ویژگی است که باعث می شود بادهای خورشیدی نتوانند به جو زمین دسترسی پیدا کنند و آنها را دور نگه می دارد؛ در حالی که در مورد مریخ اینطور نیست و این اتفاق روی می دهد. از طرف دیگر این ویژگی ما را از اشعه های باردار کیهانی نیز محافظت می کند.
به دنبال مغناطیس، به دنبال حیات
این ویژگی که ناجی حیات روی کره زمین است، همان میدان مغناطیسی سیاره ای است و این مفهوم را می رساند که در مطالعات در مورد سیارات خارج از منظومه شمسی حتماً باید به آن توجه خاصی شود. تاکنون ما قادر به مشاهده میدان مغناطیسی سیارات خارج از منظومه شمسی نبوده ایم؛ اما باید در آینده تکنیکی برای تشخیص میدان های مغناطیسی خارج از منظومه شمسی توسعه پیدا کند؛ حضور میدان های مغناطیسی حول یک سیاره خارج از منظومه شمسی احتمالاً مشخص می کند که کدام یک برای مطالعات بعدی جستجوی حیات انتخاب شود.
کشف میدان مغناطیسی زمین به بیش از یک قرن پیش باز می گردد؛ در سال 1908 ستاره شناس آمریکایی، جرج الری هیل (George Ellery Hale) به این حقیقت پی برد. در واقع ممکن نیست به مطالعه در این مورد پرداخت، اما بدون توانایی تشخیص آنها از راه دور و توسط تشعشعات الکترومغناطیسی، در جستجوی میدان های مغناطیسی کیهانی بود. در سال 1896 ، فیزیکدان آلمانی، پیتر زیمن (Pieter Zeeman)، وقتی متوجه شد که یک میدان مغناطیسی قدرت تاثیرگذاری روی نور بدست آمده از بخار درخشان دارد، آزمایش هایی انجام داد. در این آزمایش ها طیف های نوری هنگام گسترش بخار منتشر شدند و در برخی موارد که شدیدتر بود، به چند بخش مجزا تبدیل شدند. زیمن در مقاله ای که در سال 1897 منتشر شد، پیشنهاد داده بود که کشف او ممکن است در اکتشاف میدان های مغناطیسی به کار آید.
پیشنهادی که کاملاً درست و بجا بود؛ زیرا در واقع، این همان روشی بود که توسط هیل برای تشخیص میدان مغناطیسی خورشید (sunspots) بکار گرفته شد. اثر زیمن نور را به روش خاصی دو قطبی می کرد تا بتوان از آن برای تشخیص مسیر میدان مغناطیسی دور استفاده کرد و از این راه به ستاره شناسان اجازه می داد تا خاصیت مغناطیسی در دوردست ها را با مطالعه تشعشعات الکترومغناطیسی بررسی کنند.
در حقیقت، این خورشید است که به ما اجازه می دهد تا خاصیت مغناطیسی کیهانی را این چنین از نزدیک بررسی کنیم؛ به گونه ای که گویی اطلاعات و مشاهدات زیادی از آن داریم. این موضوع به خاطر این است که مطالعات روی خورشید، جزئیات جالب و قابل توجهی را فراهم می کند؛ جزئیاتی که برای ما آشکار می کند میدان مغناطیسی دینامیک اختری (stellar) چگونه است. به هر حال خورشید میدان مغناطیسی ای دارد که قطب های مغناطیسی شمال و جنوب را به هم وصل می کند؛ همان چیزی که به هلیوگرام قطب شمال و جنوب، به عنوان بخشی که روی سیاره زمین قرار دارند، نزدیک است.
مغناطیس در نمونه کوچک
بررسی دقیق تر اتمسفر خورشید نشان می دهد که کمان های میدان های مغناطیسی که لکه های خورشیدی را به هم وصل می کنند و ساختار میدان مغناطیسی را شکل می دهند، به عنوان طناب های شارژی (Flux) شناخته می شوند. این طناب ها به خاطر درخشش شان آشکار می شوند و گازهای باردار الکتریکی آنها را ردیابی می کنند؛ درست همانطور که خرده های آهن در اطراف یک میله مغناطیسی شکل پیدا می کنند. اگر خورشید را در گذر زمان نگاه کنید، می بینید که این ساختارهای مغناطیسی همیشه در حال باردار شدن هستند و اغلب در منظومه شمسی انفجارهایی (نورانی) از خود نشان می دهند. فعالیت های دینامیک و فضایی خورشید که اکنون برای ما حل شده است و می دانیم که از مغناطیس نیرو می گیرد، به ما دورنمایی از آنچه دیگر ستارگان نیز انجام می دهند، نشان می دهد. البته باید بدانیم که این تنها ستارگان اصلی نیستند که رفتاری این چنین از خود نشان می دهند و میدان های مغناطیسی مهمی دارند.
تپ اخترها زیرمجموعه ستاره های نوترون هستند. این تپ اخترها از هسته های فرو ریخته ستاره های با جرم بالا شکل گرفته اند و به سرعت در حال چرخش هستند. همانطور که تپ اخترها در حال چرخش هستند، پالس هایی از امواج رادیویی از خود به بیرون می فرستند و اینطور به نظر می رسد که این تپ اخترها، در فضای کیهانی، چیزی شبیه به فانوس دریایی دارند. برخی از آنها در ثانیه چند بار چشمک می زنند. وقتی ژوکلین بل برنل (Jocelyn Bell Burnell) در سال 1967 تپ اخترها را کشف کرد، اشیایی کمتر دیده شده بودند و به طرز خنده داری آن را LGM نامیدند؛ مردان سبز کوچک (Little Green Men). اما این چشمک های رادیویی ممکن است در برخی موارد با میدان مغناطیسی قوی اشتباه گرفته شوند و آن زمانی است که یکی از این ستاره ها چرخش خیلی سریعی دارد.
مرگ ستاره ها، منبع مغناطیس
وقتی یک ستاره در حال مرگ، فرو می پاشد، میدان مغناطیسی آن نیز به همراه اجزایش منقبض می شود، اینجا است که این میدان مغناطیسی، به اندازه 1000 میلیارد برابر میدان مغناطیسی زمین تقویت می شود. وجود این میدان مغناطیسی باعث می شود تا ذرات باردار، در اطراف خطوط میدان مغناطیسی دوران کنند و در نتیجه هنگامی که این اتفاق روی می دهد، امواج رادیویی به وجود می آیند. سیگنال های رادیویی در قطب های شمال و جنوب میدان مغناطیسی ستاره نوترونی متمرکز می شوند. آنچه در نهایت تپ اخترها را می سازد، انحرافی است که میان محور دورانی ستاره و محور متصل کننده قطب های میدان مغناطیسی آن وجود دارد. این موضوع بدین معنی است که ستاره نوترون می چرخد، پرتوهای رادیویی به فضا منتقل می شوند و تلسکوپ های رادیویی می توانند آنها را تشخیص دهند. دیگر زیرمجموعه های تولید این ستاره ها، میدان های مغناطیسی قدرتمند مامن میدان های مغناطیسی قدرتمند در فضا هستند؛ یعنی چیزی که هزاران برابر قدرتمندتر از میدان مغناطیسی تپ اخترها است. این اشیاء تحت عنوان مگنتارز (Magnetars) شناخته می شوند.
مغناطیس کهکشانی
میدان مغناطیسی زمین و میدان مغناطیسی خورشید، تنها میدان های مغناطیسی نیستند که فضای اطراف ما و سیاره ما را احاطه کرده اند. کهکشان ما یعنی کهکشان راه شیری هم میدان مغناطیسی دارد؛ هر چند این میدان مغناطیسی ده ها هزار برابر از میدان مغناطیسی زمین کوچکتر است. کاری که میدان مغناطیسی کهکشان با همراهی میدان مغناطیسی زمین انجام می دهد، چرخش در مرکز وجودی آن است.
میدان های مغناطیسی اشیایی اختر فیزیکی هستند که توسط پدیده دینامو ساخته می شوند؛ مکانیسمی که در آن چرخش یک مایع هادی جریان الکتریسیته، به تولید انرژی مغناطیسی منجر می شود (مایعی همچون فلز مذاب در مرکز یک سیاره). در این فرآیند، میزان سرعت چرخش شئی، اهمیت ویژه ای در میدان های مغناطیسی و دیناموها دارد.
اکنون می دانیم چرا سیاره زمین میدان مغناطیسی نسبتاً قدرتمندی دارد، در حالی که مریخ، با اینکه بسیار به زمین شبیه است، چنین میدان مغناطیسی ای ندارد. درون زمین، پوسته مذاب دورانی، یعنی همان دیناموهایش، هنوز در حال فعالیت است. از طرف دیگر، مریخ نیز دیناموی خود را دارد، اما این دینامو فعالیتش گاهی متوقف می شود و آن زمانی است که درون این سیاره کوچکتر سرد و جامد می شود و تنها بقایایی از این میدان مغناطیسی در صخره های آن به جا می ماند.
وقتی بحث مقیاس زمانی مطرح می شود، ستاره ها و سیاره ها ممکن است حتی یک چرخش را در زمان متفاوتی انجام دهند؛ از چند ساعت گرفته تا هفته ها. اما این اجسام مدت زیادی صرف کرده اند و زمان زیادی از طول عمرشان سپری شده تا اکنون به پایداری رسیده اند و حتی میدان مغناطیسی شان تکامل یافته است. به عنوان مثال، خورشید در ابتدا هر 27 روز دور محور خود می چرخید و اکنون 4.5 میلیارد سال است که در جهان وجود دارد. فرض کنید که نرخ چرخش خورشید در تمام این مدت ثابت باقی می ماند، آن وقت خورشید می توانست بیش از 60 میلیارد بار بچرخد، اما وقتی به کهکشان نگاه می کنیم، می بینیم این موضوع اتفاق نیفتاده است. کهکشان ما تنها هر چند صد میلیون سال یکبار دور محور خود می چرخد و این بدین معنی است که خورشید در این مدت تنها چند صد دور چرخیده است.
در سال 2017 ، تیمی با هدایت دانشمندانی از موسسه مکس پلنک در آلمان نتایج کار خود را منتشر کردند؛ نتایجی که نشان می داد مشاهدات کهکشانی می تواند در بررسی میدان های مغناطیسی استفاده شود، بخصوص مشاهداتی که مربوط به دوره های قبلی و به اصطلاح جوان تر بودن جهان است. مطالعات آنها از یک کهکشان که نزدیک پنج میلیارد سال نوری دورتر است، به ما اجازه می دهد تا به دوره آغاز جهان نگاه کنیم و در مورد تاریخچه و تکامل میدان های مغناطیسی مطالعه کنیم. این مطالعات نگاهی به سوال همیشگی ستاره شناسان را نیز فراهم می کند؛ چه مدت است که میدان های مغناطیسی وجود دارند؟
میدان های مغناطیسی بسیار قابل اهمیت هستند و در کیهان متداول اند؛ میدان هایی که هم در سیاره ها و ستاره ها دیده می شوند و هم در کهکشان ها وجود دارند. در کنار جاذبه، مغناطیس نیز روی شکل دادن و کنترل آنچه ما پیش رویمان و در جهان هستی مشاهده می کنیم، تاثیرگذار است. بنابراین بار دیگر که به دور و بَر خود نگاه می کنید، مهم نیست که به چه چیزی نگاه می کنید و چه چیزی را می بینید؛ بلکه باید نیروهای مخفی ای را به یاد آورید که به شکل دادن جهان ما کمک می کنند.
