فك تشابك الكون المغناطيسي – ترجمة المهندس صادق علي القطري

Untangling the magnetic universe
(بقلم: يفيتي سنديس – Yvette Cendes)

تلعب هذه القوة القوية ولكن الغامضة دورًا أساسيًا في تشكيل بنية المجرة والسماح للنجوم بالتشكل. هناك شبكة متشابكة من المغناطيسية تمر عبر درب التبانة.

على الرغم من أنه لا يمكنك رؤيتها بأم عينيك، إلا أن هذه القوة الأساسية تنتشر عبر الأذرع الحلزونية وتؤثر على كل شيء بدءًا من تكوين النجوم وحتى بنية المجرة. حيث أن علماء الفلك يعلمون من اين تأتي..؟ و كيف تؤثر علينا..؟ ولكن في السنوات الأخيرة أدركوا مدى أهمية هذه القوة المغناطيسية الكونية ، ويعملون على حل بعض الإجابات لألغازها.

تظهر مجرة الدوامة (M51) ببنية حلزونية مميزة على الرغم من مواجهتها المستمرة مع مجرة مصاحبة لها. ترسم ملامح انبعاث الراديو (أعلاه) المجالات المغناطيسية للمجرة، والتي تتماشى مع الأذرع الحلزونية. مصدر الصورة: NASA/ESA/S. Beckwith (STScI)/The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

على المستوى الأساسي، كان لدى البشر بعض الفهم للمغناطيسية الطبيعية منذ زمن الإغريق القدماء. اكتشفوا أن حجر المغناطيس الموضوع على طوف في وعاء من الماء سوف يصطف في اتجاه الشمال والجنوب – بعبارة أخرى، مع المجال المغناطيسي للأرض. في عام 1865، أدرك العالم الأسكتلندي جيمس كلارك ماكسويل لأول مرة أن الكهرباء والمغناطيسية ليسا قوتين منفصلتين ولكنهما يعملان معًا في الواقع، وأن الضوء هو أحد أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي.

قدم ماكسويل للعالم أول معادلات المجال الموحدة، وأصبحت “معادلات ماكسويل” حجر الأساس للكهرومغناطيسية ، باعتبارها أساسية للفيزياء مثل قوانين نيوتن لتفسير الجاذبية.

يتصرف المجال المغناطيسي للأرض مثل قضيب مغناطيسي عملاق. تولد حركة الحديد المصهور في القلب المجال، وخطوط المجال تدور بين القطبين المغناطيسيين. يميل محور المجال المغناطيسي لكوكبنا بحوالي 11 درجة إلى محور الدوران. مصدر الصورة: Astronomy: Roen Kelly

الهبوط الى الأرض

لا يمكننا رؤية الحقول المغناطيسية بالطريقة التي نرى بها الضوء، و لكن  يمكن قياس المجالات المغناطيسية بالبوصلة بشكل اساسي. تشير إبرة البوصلة إلى الشمال لأن الجزء الداخلي من الأرض يحتوي بشكل أساسي على قضيب مغناطيسي عملاق، لا يختلف عن المغناطيس العادي الموجود (مثل المُلصق على باب ثلاجتك) ولكن قوته أضعف بعشر مرات وأكبر حجما بكثير. إنه موجود لأن دوران الأرض يتسبب في تحريك الحديد المنصهر في قلبها، مما يؤدي إلى إنشاء “دينامو” يولد المجال المغناطيسي.

ويعد المجال المغناطيسي للأرض مهمًا إلى جانب استخدامه كأداة مساعدة ملاحية سهلة الاستخدام. الغلاف المغناطيسي الذي تخلقه حول الكوكب يحمينا من الأشعة الكونية – الجسيمات المشحونة من الفضاء الخارجي التي يمكن أن تلحق الضرر بالإلكترونيات – ومن التدفق المستمر للجسيمات من الشمس المعروف باسم الرياح الشمسية.

يمكن أن تكون الانفجارات الشمسية القوية، التي يقودها المجال المغناطيسي للشمس، قاتلة لرائد الفضاء في الفضاء، لكن الغلاف المغناطيسي يضمن أنها لن تؤذينا على الأرض. يحدث أكبر تأثير نراه من الرياح الشمسية عندما يوجه الغلاف المغناطيسي الجسيمات المشحونة باتجاه القطبين المغناطيسيين الشمالي والجنوبي، حيث تثير الذرات والجزيئات في الغلاف الجوي العلوي وتسبب الشفق القطبي.

ومع ذلك، فإن الكثير عن المجال المغناطيسي للأرض يظل لغزا. لسبب واحد، يخبرنا السجل الجيولوجي أن مغناطيسية الأرض تنعكس كل بضع مئات الآلاف من السنين. يختفي الحقل لبضعة آلاف من السنين ثم يعيد تأسيس نفسه مع مواجهة القطبين لاتجاهات متعاكسة.

تحدث هذه التقلبات على فترات عشوائية؛ حدث الانعكاس الكامل الأخير منذ حوالي 780.000 سنة. على الرغم من أن لا أحد يعرف متى سيحدث الانعكاس التالي، وسنكون عاجزين عن إيقافه، يعلم الباحثون أن المجال المغناطيسي للأرض كان يضعف منذ آلاف السنين. على سبيل المثال، لم تعد خدعة حجر الأساس في وعاء من الماء تعمل إذا كنت ستجربها اليوم لأن الحقل أضعف بنسبة 35 بالمائة مما كان عليه قبل بضعة آلاف من السنين.

(إضافة من المترجم: حجر الأساس هو حجر ممغنط طبيعيا يمكنه أن يطفو على الماء بفعل التشابك مع الحقل المغناطيسي للأرض ، وكان هذا مألوفا للإنسان قبل عدة الاف من السنين ، لكن نفس الحجر لا يمكنه أن يطفو على سطح الماء في أيامنا هذه لضعف المجال المغناطيسي للأرض).

حارة غبار مظلمة تقسم قرص المجرة الحلزونية ذات الحافة العلوية NGC 891. الحقل المغناطيسي للمجرة (خطوط مستقيمة، داخلي) بالقرب من القرص يسير بالتوازي تقريبًا مع المستوى ولكنه يشكل بنية على شكل X في الهالة. مصدر الصورة: Adam Block/NOAO/AURA/NSF

يتوقع العلماء أنه عند حدوث الانقلاب التالي، سيكون كوكبنا بلا غلاف مغناطيسي وقائي لبضعة آلاف من السنين. سيؤدي هذا إلى زيادة عدد الأشعة الكونية التي تصل إلى الأرض، مما يتسبب في خسائر غير معروفة لمجتمعنا. نجا الإنسان العاقل من مثل هذه التقلبات فيما قبل التاريخ، مثل الأنواع الأخرى، ولكن هذه هي المرة الأولى التي يتعين علينا فيها مواجهة انقلاب مسلح بأجهزة إلكترونية. قد تشتمل حالات الهواتف الذكية العصرية في المستقبل على حماية من الأشعة الكونية.

الخروج إلى المجرات

الحقول الكوكبية ليست هي الوحيدة الموجودة هناك. توجد الحقول المغناطيسية في كل مكان تقريبًا في الكون، ويمكن للشبكات الأكبر أن تمتد عبر مجرات بأكملها. على الرغم من أن خطوط المجال المغنطيسي المجري هذه لا تزيد عن جزء من المليار من قوة المغناطيس الملصق على باب الثلاجة النموذجي ، إلا أنها تعوض عن هذا النقص بحجمها الهائل.

تقول معادلات ماكسويل أن الطاقة في المجال المغناطيسي تساوي قوتها مضروبة في حجمها ، لذلك يمكن أن يتشابك جزء كبير من الطاقة الكلية للمجرة في مجالها المغناطيسي. و يقول بريان جينسلر ، مدير معهد دنلاب في جامعة تورنتو ، والمتخصص في فهم المجالات المغناطيسية: “تمامًا مثل قلقنا الآن بشأن المادة المظلمة أو الطاقة المظلمة في علم الفلك ، يجب أن نشعر بالقلق أيضًا بشأن المغناطيسية”. ويضيف أن قوة المجال المغناطيسي للمجرة تعادل ضغط الإشعاع الذي تمارسه جميع النجوم بداخلها.

على عكس مراقبة الضوء من النجوم ، فإن اكتشاف خطوط المجال المغناطيسي في الفضاء أمر صعب لأنه لا يمكنك رؤيتها مباشرة إلا في ظل ظروف خاصة. هذا يعني أن علماء الفلك يعتمدون على طرق غير مباشرة مختلفة، ويدرسون كيف تغير المغناطيسية الضوء الذي يصل إلى الأرض. يقول جينسلر: “الأمر مشابه للرغبة في تنظيف الأوساخ من النافذة”. “إذا كنت تريد رؤية الأوساخ، فلا يمكنك القيام بذلك في الليل، ولكن يمكنك القيام بذلك أثناء النهار باستخدام ضوء الشمس”.

يعتمد “تنظيف النوافذ” الفلكيه هذه على خاصية خاصة تُلاحظ في ضوء النجوم تسمى الاستقطاب ، والتي تظهر نفسها على أنها اتجاه معين للموجات الكهرومغناطيسية للضوء ، فبالرغم من أن معظم الضوء من المصادر الطبيعية ليس مستقطبًا ، اكتشف علماء الفلك في الأربعينيات من القرن الماضي أن الاستقطاب يسبب “انحرافًا” في ضوء النجوم. لقد أدركوا أن الضوء يصبح مستقطبًا في طريقه إلى تلسكوباتهم، والمسبب هو المجالات المغناطيسية غير المرئية بين الأرض والنجوم.

يستخدم العلماء التلسكوبات الراديوية لقياس الاستقطاب عبر السماء، ورسم خرائط لما تبدو عليه الهياكل المغناطيسية في مجرتنا وفي مجرات أخرى. إنها مهمة صعبة للغاية.

يوضح راينر بيك، عالم الفلك في معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي في بون بألمانيا، والذي قضى حياته المهنية في رسم خرائط الهياكل المغناطيسية في المجرات: “علينا أن نكافح بحساسية التلسكوبات”. ويعزو مشاركته في هذا المجال إلى التوقيت – وبدأ رسالتة الدكتوراه.

الدراسات في السبعينيات من القرن الماضي عندما كانت أول تلسكوبات راديوية كبيرة تأتي عبر الإنترنت. يتذكر بيك: “كان هناك أيضًا الكثير من المشاكل في البداية لأن الناس لم يعتقدوا أن المجالات المغناطيسية مهمة، لكن هذا لم يعد صحيحًا بعد الآن”.

منذ ذلك الحين، بدأت تظهر صورة مذهلة للبنية المغناطيسية للمجرة. لسبب واحد، لا تُظهر جميع المجرات تقريبًا ذات الحقول المغناطيسية شبكة متشابكة ولكنها تقدم بدلاً من ذلك بنية حلزونية مرتبة – حتى في المجرات التي لا تبدو لولبية الشكل لأعيننا. المغناطيسات هي أشياء هشة – يمكنك كسر إحداها عن طريق إسقاطها عدة مرات، على سبيل المثال – لذا فإن فكرة أن الهياكل المغناطيسية المنظمة منتشرة جدًا في عالمنا الفوضوي تربك أولئك الذين يريدون معرفة من أين أتوا وكيف تستمر.

يرسم المجال المغناطيسي لمجرة درب التبانة صورة جميلة في مشهد السماء هذا الذي تم التقاطه بواسطة القمر الصناعي بلانك. تقوم الحقول بربط السحب البينجمية وتتسبب في استقطاب الضوء المنتشر بواسطة جزيئات الغبار (يهتز في اتجاه معين). تشير المناطق الزرقاء إلى استقطاب أقوى بينما تكشف الخطوط العريضة اتجاه المجال المغناطيسي.  مصدر الصورة: ESA/Planck Collaboration

ولادة النجوم

علاوة على ذلك، يبدو أن هذه الهياكل المغناطيسية تؤثر على مجموعة واسعة من الخصائص في المجرات المضيفة، من بنية المجرة الكلية إلى كيفية تشكل النجوم داخلها. يقدم (Whirlpool Galaxy) القريب (M51) مثالاً جيدًا. كما يمكن للهواة الذين يمتلكون تلسكوبات متواضعة أن يروا، فإن (Whirlpool) لديها مجرة ​​مصاحبة أصغر (NGC 5195) يبدو أنها تتأرجح في نهاية أحد الأذرع الحلزونية لـ (M51) مثل زينة عيد الميلاد.

يتسبب التفاعل بين هاتين المجرتين في تموج موجات الكثافة – موجات الضغط التي تجتاح قرص المجرة – عبر دوامة ويرلبول. في هذه الحالة، لا تتبع المجالات المغناطيسية التركيب الحلزوني البصري فحسب، بل تضغط أيضًا على الغاز عند الحواف الداخلية للذراع.

هذا مثير لأنه يبدو أن قوة المجال المغناطيسي للمجرة ترتبط بكثافة الغاز بين النجوم، على الرغم من أن الفلكيين لم يحددوا التفاصيل الدقيقة بعد. ومع ذلك، فهم يعرفون أن المغناطيسية الكونية تلعب دورًا كبيرًا في تكوين النجوم داخل هذه السحب الكثيفة بين النجوم.

في الخطوة الأولى، يبدأ الغاز في التجمع معًا فيما يسميه العلماء النجم الأولي. في النهاية، ينمو النجم الأولي بكثافة كافية بحيث ينهار تحت تأثير جاذبيته، ليصبح نجمًا كاملًا عندما يبدأ في دمج الهيدروجين في الهيليوم في قلبه.

لكن تفسير الولادة النجمية من خلال الجاذبية وحدها أمر مستحيل. إذا كانت هذه هي القوة الوحيدة المؤثرة، فإن النجم البدائي سوف يدور عن بعضه البعض قبل فترة طويلة من وصوله إلى كتلة تقترب من كتلة شمسنا. يعتقد علماء الفلك الآن أن الحقول المغناطيسية القوية في هذه السحب الغازية تخلق مقاومة على النجم الأولي، مما يسمح لها باكتساب كتلة كافية للاشتعال.

يدور الشفق القطبي حول القطب الجنوبي في هذا المنظر من مركبة الفضاء (IMAGE) التابعة لناسا والتي تم التقاطها في 7 يناير 2005. هذا الشكل البيضاوي والنظير الشمالي يحدثان عادةً من 10 إلى 20 درجة من القطبين المغناطيسيين. مصدر الصورة: NASA

بينما اعتدنا على الصورة الكلاسيكية حيث الجاذبية هي سيد الكون، فمن الواضح أن المغناطيسية كانت مساعدًا حيويًا في تكوين الكون الذي نراه اليوم.

درب التبانة عبارة عن مجرة ​​حلزونية نموذجية بها انتفاخ كروي محاط بفطيرة مسطحة من الأذرع الحلزونية يبلغ قطرها حوالي 150.000 سنة ضوئية ولكن سمكها 1000 سنة ضوئية فقط. وعلى الرغم من أن الجاذبية تجمعها جميعًا معًا، إذا تصرفت هذه القوة بمفردها، فإن مجرتنا سوف تنكمش لأن كل المواد الموجودة في القرص على شكل فطيرة ستنهار على المستوى. يعتقد علماء الفلك أن هذا لا يحدث لأن الضغط المغناطيسي يوفر قوة طفو تقاوم الجاذبية.

على الرغم من أن علماء الفلك قد قطعوا خطوات كبيرة في فهم المجالات المغناطيسية الكونية، إلا أن العديد من الألغاز لا تزال قائمة. واحدة من أكبرها هو ما يخلقها في المقام الأول. يعتقد العديد من الباحثين أن نوعًا من آلية الدينامو تلعب دورًا، على غرار كيفية إنتاج الأرض لمجالها المغناطيسي. لكنهم يتجادلون حول المدة التي تستغرقها الحقول لتشكيل ومدى سرعة اكتساب القوة. ولاحظ علماء الفلك وجود مجالات مغناطيسية في المجرات أصغر بكثير من مجراتنا ، ومع ذلك ، فإن هذه الحقول كانت موجودة بالفعل في الكون المبكر.

وبدلاً من ذلك، ذهل (Gaensler) وفريقه لاكتشاف مجال مغناطيسي منظم وسلس على الرغم من الفوضى.  يقول جينسلر: “يشبه الأمر إقامة حفلة عيد ميلاد طوال اليوم لمجموعة من الأطفال في سن 6 سنوات ، ثم إيجاد المنزل مرتبًا بعد مغادرتهم”. “يجب أن تعمل بعض القوى القوية لمنع تشابك وتعطيل الحقول المغناطيسية”. لا أحد يعرف بالضبط ما ستكون عليه هذه العملية، لكن النتائج تشير إلى أن المجرات يمكن أن تولد مجالات مغناطيسية بسرعة، ربما في غضون 100 مليون سنة أو نحو ذلك.

كما كشف بيك عن نصيبه من الألغاز المغناطيسية. كان أحدث اكتشاف له هو اكتشاف هياكل مغناطيسية جديدة في المجرة القريبة (IC 342). هذه المجرة الحلزونية تقع خارج المجموعة المحلية، مما يجعلها واحدة من أقرب جيراننا. اكتشف بيك وفريقه حلقة حلزونية لحقل مغناطيسي ملفوف حول أكبر ذراع في المجرة. يقول: “إذا أخذت زنبركًا للعبة وقسمته بعيدًا إلى حجم كبير، فهذا ما سيبدو عليه”. لم يتوقع أحد مثل هذا الهيكل من قبل، مؤكداً على مدى تعقيد المجالات المغناطيسية.

العودة مرة أخرى إلى المنزل

عندما يتعلق الأمر بالألغاز المغناطيسية لا يمكننا النظر الى مجرتنا بنظرة قصيرة. ونظرًا لأننا نعيش في مجرة ​​درب التبانة، يمكن للعلماء مراقبة المجال المغناطيسي للمجرة بتفاصيل أكثر بكثير من أي مجال آخر. ورأى علماء الفلك ميزات فريدة لمجرة درب التبانة، لكنهم لا يعرفون ما إذا كانت غير عادية حقًا أو من المستحيل اكتشافها في المجرات البعيدة.

على سبيل المثال، تتبع المجالات المغناطيسية الأذرع الحلزونية المرئية لمجرتنا كما هو الحال في المجرات الأخرى، ولكن في مجرة ​​درب التبانة، يبدو أن لكل ذراع مجال مغناطيسي خاص به ومستقل عن الأذرع الأخرى. علاوة على ذلك، يمكن أن يتغير اتجاه المجال من ذراع إلى ذراع، مشيرًا في اتجاه واحد وفي الاتجاه المعاكس في اتجاه مجاور. إذا أخذت قضيبين مغناطيسيين ودفعت نفس القطبين معًا، فسوف يتنافران؛ لا أحد يستطيع أن يشرح لماذا لا نرى تأثيرًا مشابهًا في مجرتنا.

من الواضح أن اللغز المغناطيسي لا يزال ينقصه العديد من القطع. على هذا النحو، فإن (Beck) و (Gaensler) اثنان من مئات العلماء والمهندسين المشاركين في بناء مصفوفة الكيلومتر المربع (SKA) ، وهو مشروع تلسكوب لاسلكي جديد بدأ بنائه في عام 2018 في جنوب إفريقيا وأستراليا. وسوف تحتوي SKA على ما يصل إلى مليون هوائي مع مساحة تجميع فعالة تبلغ كيلومتر مربع كامل (0.4 ميل مربع) وستكون أكثر حساسية 50 مرة من أي تلسكوب لاسلكي آخر. يتوقع علماء الفلك الراديوي أن يروا أول ضوء في عام 2020.

عندما يكون (SKA) متاحًا على الإنترنت، ستكون دراسة المغناطيسية الكونية هدفًا علميًا رئيسيًا. وأحد أولوياته، سيسعى علماء الفلك إلى التواقيع المغناطيسية في المجرات التي لا يمكن الوصول إليها بواسطة أدوات اليوم. يجب أن تلقي مثل هذه الملاحظات الضوء على ما يولد هذه الحقول المغناطيسية ومتى تظهر في تكوين المجرة.

ستكون الأولوية الثانية هي إعادة فحص المجرات القريبة والنظر بتفصيل أكبر في كيفية تفاعل الحقول المغناطيسية مع بعضها البعض. يمكن أن تظهر صورة أكثر شمولاً للحقول المغناطيسية في المجرات وكيف تؤثر على تكوين النجوم وبنية المجرات – ومن المحتمل أن تكشف عن ألغاز جديدة أيضًا. من المؤكد أن علماء الفلك قد حققوا تقدمًا مهمًا في فك تشابك الكون المغناطيسي، لكن لا يزال لديهم الكثير من العمل قبل أن يتم الكشف عن هذه الألغاز تمامًا.

تقع المجرة الحلزونية المواجهة للوجه (IC 342) (أعلى) على بعد حوالي 11 مليون سنة ضوئية من الأرض ، بعيدًا عن المجموعة المحلية. توضح خريطة مغناطيسية المجرة (أعلاه) أن معظم المجال يتبع الأذرع ، على الرغم من أن الحلقة الحلزونية تلتف حول الذراع العريضة إلى أعلى يمين النواة..  مصدر الصورة: T. A. Rector (University of Alaska, Anchorage)/H. Schweiker (WIYN and NOAO/AURA/NSF)

المصدر:

https://astronomy.com/magazine/2019/08/untangling-the-magnetic-universe

المهندس صادق علي القطري

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.