الفيزياء الصغيرة وراء الانفجارات الكونية الهائلة 1

الانفجارات الكونية : عمليتا محاكاة لثقب أسود يتراكم. على اليسار ، يتم نمذجة البلازما على أنها سائل. على اليمين ، يتم التعامل معها كمجموعة من الجسيمات ، مما ينتج عنه اختلافات كبيرة في كثافة البلازما (الأرجواني) وخطوط المجال المغناطيسي (الأبيض).

خلال نوبات عابرة ، تقذف الشمس أحيانًا كمية هائلة من الطاقة في الفضاء. تدوم هذه الانفجارات ، التي يطلق عليها التوهجات الشمسية ، دقائق معدودة ، ويمكن أن تؤدي إلى انقطاع التيار الكارثي والشفق القطبي المذهل على الأرض. لكن نظرياتنا الرياضية الرائدة لكيفية عمل هذه التوهجات تفشل في التنبؤ بقوة وسرعة ما نلاحظه.

الانفجارات الكونية

في قلب هذه الانفجارات الكونية توجد آلية تحول الطاقة المغناطيسية إلى انفجارات قوية من الضوء والجزيئات. يتم تحفيز هذا التحول من خلال عملية تسمى إعادة الاتصال المغناطيسي ، حيث تنكسر الحقول المغناطيسية المتصادمة وتعيد اصطفافها على الفور ، وتقذف المواد في الكون. بالإضافة إلى تشغيل التوهجات الشمسية ، قد تعمل إعادة الاتصال على تشغيل الجسيمات السريعة عالية الطاقة التي تقذفها النجوم المتفجرة ، ووهج النفاثات من الثقوب السوداء الذائبة ، والرياح المستمرة التي تهبها الشمس.

على الرغم من انتشار هذه الظاهرة في كل مكان ، فقد كافح العلماء لفهم كيفية عملها بكفاءة. تقترح نظرية حديثة أنه عندما يتعلق الأمر بحل ألغاز إعادة الاتصال المغناطيسي ، تلعب الفيزياء الصغيرة دورًا كبيرًا. على وجه الخصوص ، يفسر سبب كون بعض أحداث إعادة الاتصال سريعة بشكل مذهل – ولماذا يبدو أن الأقوى يحدث بسرعة مميزة. يمكن أن يساعد فهم التفاصيل الفيزيائية الدقيقة لإعادة الاتصال الباحثين على بناء نماذج أفضل لهذه الانفجارات النشطة وإدراك نوبات الغضب الكونية.

الانفجارات الكونية قال هانتاو جي ، عالم فيزياء البلازما في جامعة برينستون ، والذي لم يشارك في الدراسة: “حتى الآن ، هذه أفضل نظرية يمكنني رؤيتها”. “إنه إنجاز كبير.”

التحسس بالسوائل

توجد جميع المواد المعروفة في الكون تقريبًا على شكل بلازما ، وهي عبارة عن حساء ناري من الغاز حيث أدت درجات الحرارة الجهنمية إلى تجريد الذرات وتحويلها إلى جسيمات مشحونة. أثناء تحركها ، تولد هذه الجسيمات مجالات مغناطيسية ، والتي بدورها توجه حركات الجسيمات. يؤدي هذا التفاعل الفوضوي إلى إحداث فوضى مختلطة من خطوط المجال المغناطيسي التي ، مثل الأربطة المطاطية ، تخزن المزيد والمزيد من الطاقة أثناء تمددها وتواءها.

في الخمسينيات من القرن الماضي ، اقترح العلماء تفسيرًا لكيفية إخراج البلازما لطاقتها المكبوتة ، وهي العملية التي سميت بإعادة الاتصال المغناطيسي. عندما تتصادم خطوط المجال المغناطيسي التي تشير في اتجاهين متعاكسين ، فإنها يمكن أن تلتقط وتتقاطع ، وتطلق الجزيئات مثل المقلاع على الوجهين.

لكن هذه الفكرة كانت أقرب إلى لوحة تجريدية من نموذج رياضي كامل. أراد العلماء فهم تفاصيل كيفية عمل العملية – الأحداث التي تؤثر على الانجذاب ، وسبب إطلاق الكثير من الطاقة. لكن التفاعل الفوضوي للغاز الساخن والجسيمات المشحونة والمجالات المغناطيسية يصعب ترويضه رياضيًا.

تتجول التجريدات في الأفكار الواعدة في العلوم والرياضيات. سافر معنا وانضم إلى المحادثة.

أول نظرية كمية ، وصفها عالما الفيزياء الفلكية بيتر سويت ويوجين باركر عام 1957 ، تعالج البلازما كسوائل ممغنطة. يقترح أن تصادمات الجسيمات ذات الشحنة المعاكسة تجتذب خطوط المجال المغناطيسي وتطلق سلسلة جامحة من أحداث إعادة الاتصال. تتنبأ نظريتهم أيضًا بأن هذه العملية تحدث بمعدل معين. تتطابق معدلات إعادة الاتصال التي لوحظت في البلازما المزورة المخبرية الضعيفة نسبيًا مع تنبؤاتها ، كما هو الحال بالنسبة لمعدلات النفاثات الأصغر في الطبقات السفلى من الغلاف الجوي للشمس.

لكن التوهجات الشمسية تطلق الطاقة بسرعة أكبر بكثير مما يمكن لنظرية سويت وباركر تفسيره. وبحسب حساباتهم ، يجب أن تستمر تلك التوهجات على مدى شهور بدلاً من دقائق.

في الآونة الأخيرة ، حددت الملاحظات من الأقمار الصناعية للغلاف المغناطيسي التابعة لوكالة ناسا أن إعادة الاتصال الأسرع هذه تحدث بالقرب من المنزل ، في المجال المغناطيسي للأرض. تؤكد هذه الملاحظات ، جنبًا إلى جنب مع الأدلة المستمدة من عقود من عمليات المحاكاة الحاسوبية ، معدل إعادة الاتصال “السريع” هذا: في البلازما الأكثر نشاطًا ، تحدث إعادة الاتصال بنسبة 10٪ تقريبًا من السرعة التي تنتشر بها الحقول المغناطيسية – وهي أوامر من حيث الحجم أسرع مما تتنبأ به نظرية سويت وباركر. .

قالت أليسا جاليشنيكوفا ، الباحثة في جامعة برينستون ، إن معدل إعادة الاتصال البالغ 10٪ يُلاحظ عالميًا لدرجة أن العديد من العلماء يعتبرونه “الرقم المعطى من الله”. لكن استدعاء الإله لا يفسر كثيرًا ما يجعل إعادة الاتصال بهذه السرعة.

الانفجارات الكونية والسوائل

في التسعينيات ، ابتعد الفيزيائيون عن التعامل مع البلازما كسوائل ، والتي اتضح أنها مفرطة في التبسيط. عند التكبير ، يتكون الحساء الممغنط بالفعل من جزيئات فردية. وكيف تتفاعل هذه الجسيمات مع بعضها البعض يحدث فرقًا حاسمًا.

قال أميتافا باتاتشارجي Amitava Bhattacharjee ، عالم فيزياء البلازما في جامعة برينستون: “عندما تصل إلى المقاييس الدقيقة ، يبدأ وصف السائل في الانهيار”. “تحتوي الصورة [الفيزيائية الدقيقة] على أشياء لا يمكن للصورة السائلة التقاطها مطلقًا.” الانفجارات الكونية

على مدار العقدين الماضيين ، اشتبه الفيزيائيون في أن ظاهرة كهرومغناطيسية تُعرف بتأثير هول قد تحمل سر إعادة الاتصال السريع: للإلكترونات سالبة الشحنة والأيونات الموجبة الشحنة كتل مختلفة ، لذا فهي تنتقل على طول خطوط المجال المغناطيسي بسرعات مختلفة. يولد فرق السرعة هذا جهدًا كهربائيًا بين الشحنات المنفصلة.

في عام 2001 ، أظهر Bhattacharjee وزملاؤه أن النماذج التي تضمنت تأثير Hall فقط هي التي أسفرت عن معدلات إعادة اتصال سريعة بشكل مناسب. ولكن بالضبط كيف أنتج هذا الجهد السحري 10 ٪ ظل لغزًا. قال يي هسين ليو ، عالِم فيزياء البلازما في كلية دارتموث: “لم يُظهر لنا” كيف “و” لماذا “.

الآن ، في ورقتين نظرية تم نشرهما مؤخرًا ، حاول ليو وزملاؤه ملء التفاصيل.

تصف الورقة الأولى ، التي نُشرت في مجلة فيزياء الاتصالات ، كيف يحفز الجهد مجالًا مغناطيسيًا يسحب الإلكترونات بعيدًا عن مركز المنطقتين المغناطيسيتين المتصادمتين. ينتج عن هذا التحويل فراغ يمتص خطوط الحقل الجديدة ويقرصها في المركز ، مما يسمح للمقلاع المغناطيسي بالتشكل بسرعة أكبر. الانفجارات الكونية

قال جيم دريك ، عالم فيزياء البلازما في جامعة ماريلاند: “لقد فاتتنا تلك الصورة … [لكنها] كانت تحدق في وجهنا”. “هذه أول حجة مقنعة رأيتها على الإطلاق.”

في الورقة الثانية ، المنشورة في Physical Review Letters ، يصف ليو ومساعده البحثي الجامعي ماثيو جودبريد كيف يظهر تأثير الفراغ نفسه في البلازما الشديدة التي تحتوي على مكونات مختلفة. حول الثقوب السوداء ، على سبيل المثال ، يُعتقد أن البلازما تتكون من إلكترونات وبوزيترونات متساوية الكتلة ، لذلك لم يعد تأثير هول ينطبق. ومع ذلك ، قال ليو ، “بطريقة سحرية ، لا تزال إعادة الاتصال تعمل بطريقة مماثلة”. يقترح الباحثون أنه ضمن هذه المجالات المغناطيسية الأقوى ، يتم إنفاق معظم الطاقة في تسريع الجسيمات بدلاً من تسخينها – مما يؤدي مرة أخرى إلى استنفاد الضغط الذي ينتج عنه معدل مقدس قدره 10٪.

قال لورنزو سيروني ، عالم الفيزياء الفلكية النظرية بجامعة كولومبيا والذي يعمل على محاكاة الكمبيوتر لنفاثات البلازما عالية الطاقة: “إنها معلم رئيسي من الناحية النظرية”. “يمنحنا هذا الثقة … أن ما نراه في عمليات المحاكاة لدينا ليس مجنونًا.”

قطف الجسيمات

لا يمكن للعلماء نمذجة كل جسيم على حدة في محاكاة البلازما واسعة النطاق. سيؤدي القيام بذلك إلى إنتاج مليارات تيرابايت من البيانات وسيستغرق إكماله مئات السنين ، حتى باستخدام أجهزة الكمبيوتر العملاقة الأكثر تقدمًا. لكن الباحثين اكتشفوا مؤخرًا كيفية التعامل مع مثل هذا النظام الصعب باعتباره مجموعة أصغر من الجسيمات يمكن التحكم فيها.

لدراسة أهمية النظر في الجسيمات الفردية ، قارن جاليشنيكوفا وزملاؤه بين عمليتي محاكاة لثقب أسود متراكم – أحدهما يعالج البلازما كسائل متجانس ، والآخر يقذف ما يقرب من مليار جسيم في المزيج. تُظهر نتائجهم ، التي نُشرت في مارس في Physical Review Letters ، أن دمج الفيزياء الدقيقة يؤدي إلى صور مختلفة تمامًا لتوهجات الثقب الأسود وتسارعات الجسيمات وتغيرات السطوع.

الآن ، يأمل العلماء أن تؤدي التطورات النظرية مثل نظرية ليو إلى نماذج لإعادة الاتصال المغناطيسي تعكس الطبيعة بدقة أكبر. ولكن بينما تهدف نظريته إلى تسوية مشكلة معدل إعادة الاتصال ، فإنها لا تفسر سبب تصادم بعض خطوط الحقول وتؤدي إلى إعادة الاتصال دون غيرها. كما أنه لا يصف كيفية تقسيم الطاقة المتدفقة إلى نفاثات وحرارة وأشعة كونية – أو كيف يعمل أي منها في ثلاثة أبعاد وعلى نطاقات أكبر. ومع ذلك ، يُظهر عمل ليو كيف ، في ظل الظروف المناسبة ، يمكن أن تكون إعادة الاتصال المغناطيسي فعالة بما يكفي لإحداث نوبات سماوية سريعة الزوال ولكنها عنيفة.

قال دريك: “عليك أن تجيب على السؤال” لماذا “- هذا جزء مهم من المضي قدمًا في العلم. “إن امتلاك الثقة في أننا نفهم الآلية يمنحنا قدرة أفضل بكثير لمحاولة اكتشاف ما يحدث.” الانفجارات الكونية

المصدر

شاهد هذه المقالات:

مجموعتنا الشمسية وكواكبها السيارة

حركة الأرض Earth movement الجزء الأول

حركة الارض 2 Earth movement الجزء الثاني

حركة الأرض السنوية 3 Earth movement الجزء الثالث

بدء الكون ونشأة الكون مقال علمي معتمد على مصادر عدة

جميع حقوق الملكية الفكرية والنشر محفوظة لموقع غدق www.ghadk.com

“يمنع منعاً باتاً نقل أو نسخ هذا المحتوى تحت طائلة المسائلة القانونية والفكرية”

يمكنكم دعم الموقع عن طريق الاشتراك في صفحة الفيس بوك Facebook وحساب الانستغرام  Instagram وحساب تويتر Twitter

للتواصل والاستفسار والدعم التواصل على البريد التالي : ghadak.site@gmail.com