خورشید چگونه کار می کند؟

آخرین باری که به بالا نگاه کرده اید و متوجه نور درخشان و بسیار گرم کره عظیم الجثه خورشید را دیدید چه زمانی بود؟ خورشید، نزدیک ترین ستاره به کره زمین است و اگر نبود احتمالا ما هم نبودیم.

این ستاره ی درخشنده، تامین نور و گرمای کره زمین را در طول روز به عهده دارد و بیشتر قسمت های کره زمین در طول روز ساعات کثیری از وجود آن بهره مند می شوند. البته، اگر لایه اوزون در کار نبود، خورشید اصلا و ابدا کارایی امروزش را نداشت. ستاره ای عظیم (که می تواند 1.3 میلیون کره زمین را در خود جای دهد) آنقدر خطرناک است که حتی خیره شدن به آن به مدت چند ثانیه می تواند به نابینایی منجر شود. تصور کنید درون این ستاره، هر ثانیه به میزان یک تریلیون مگاتون بمب، انرژی آزاد می شود و زمین چندان از آن دور نیست.

با توجه به استانداردهای گیتی، خورشید یک ستاره معمولی و شاید حتی کوچک به حساب بیاید اما نزدیک بودن آن به کره زمین، بر اهمیت اش افزوده است. نه انسان و نه هیچ موجود زنده ی دیگری احتمالا توان زیست در کره ای با میزان نور، گرما و انرژی ناکافی را نخواهد داشت.

با در نظر گرفتن تمامی گفته های فوق، سوالاتی مطرح می شود:

• اگر خورشید در خلا کامل قرار دارد، چگونه می سوزد؟
• چه باعث می شود که این حجم از گاز وارد فضا نشوند؟
• چرا این ستاره، شعله های خورشیدی به فضا می فرستد؟
• آیا خورشید روزی از درخشش بازخواهد ایستاد؟ اگر بله، چه زمانی؟ و چه بر سر زمین و ساکنان آن خواهد آمد؟

خورشید بیش از 4.5 میلیارد سال درخشیده و هنوز میزان قابل توجهی گاز هیدروژن و هلیم روی سطح آن قرار دارد که همین حالا در حال سوختن است. به خاطر بزرگی بیش از حدی که دارد، گرانش فوق العاده قدرتمندی هم دارد و همین نیرو سبب کنار هم قرار گرفتن گازها می شود. ما از عبارت سوختن استفاده کردیم اما حقیقتا خورشید نمی سوزد، بلکه یک رآکتور هسته ای بزرگ است که هر ثانیه در آن واکنش های شیمیایی در حال انجام شدن است.

در این مقاله، به قلم پروفسور Craig Freudenrich که پیش از این در مورد سیاهچاله ها و نحوه کارکرد آن ها نوشته بود، با خورشید، نزدیک ترین ستاره به کره ی زمین بیشتر آشنا می شویم.

بخش های خورشید

خورشید یک ستاره است، همان ستاره هایی که در آسمان شب می درخشند. تنها تفاوتی که ستاره ما با دیگر اختران دارد، فاصله اش است که سبب می شود خورشید را اینگونه درخشنده ببینیم. ما هشت دقیقه ی نوری با خورشید فاصله داریم در حالی که دیگر ستارگان شاید هزاران سال نوری از ما دور باشند.

به طور رسمی، خورشید بر اساس طول موج یا طیف نوری که ساطع می کند، در دسته ی ستارگان G2 دسته بندی می شود. تعداد بسیار زیادی ستاره G2 در فضا قرار دارد و خورشید ما یکی از میلیاردها ستاره ای است که به دور کهکشان می چرخد. همه ی این ستاره ها ساختاری بسیار مشابه به یکدیگر دارند.

خورشید کاملا از گاز تشکیل شده و سطحی سخت و جامد ندارد. با این حال، به دلایل مختلفی از جمله گرانش بالا، گازها فرم خاصی دارند و همانند یک کره گرد هم جمع شده اند. خورشید از سه سطح اصلی تشکیل گشته:

• هسته: مرکز خورشید را هسته آن می گویند که 25 درصد شعاع آن را شامل می شود.
• ناحیه تابشی: این قسمت به طور کل هسته را فراگرفته و 45 درصد شعاع خورشید را شامل می شود.
• ناحیه همرفتی: ناحیه خارجی خورشید است که 30 درصد شعاع خورشید را شامل می شود.

بالاتر از سطح خورشید، اتمسفر آن قرار دارد که این ناحیه هم از 3 بخش تشکیل شده:

• فوتوسفر: درونی ترین بخش اتمسفر خورشید و تنها قسمتی که ما می توانیم ببینیم.
• کروموسفر: ناحیه بین فوتوسفر و کورونا که حتی از فوتوسفر هم گرم تر است.
• کورونا: ناحیه ی فوق العاده پرحرارت بیرونی که میلیون ها مایل بعد از کروموسفر را فرا گرفته.

تمام ویژگی های منحصر به فرد خورشید توسط واکنش های هسته ای (که انرژی تولید می کند)، میدان مغناطیسی (که حرکت گازها را کنترل می کند) و جاذبه (که اتحاد گازها را شکل می دهد) توجیح می شود.

بنابراین همه چیز از هسته آغاز می شود.

هسته ی خورشید

هسته از مرکز آغاز شده و به اندازه 25 درصد از کل شعاع خورشید را در اختیار دارد و دمای آن از 15 میلیون درجه کلوین و سانتی گراد (273 درجه دیگر در این مقیاس کوچک ترین اهمیتی ندارد) هم فراتر می رود. در هسته، گرانش تمام اجزای سازنده خورشید را به درون می کشد و فشاری شدید ایجاد می کند. این فشار به اندازه ای هست که سبب می شود اتم های هیدروژن بخواهند طی همجوشی، واکنش هسته ای انجام دهند (دقیقا همان کاری که ما سعی داریم در نیروگاه های هسته ای مان، تحت حفاظت، امنیت و احتیاط فراوان انجام دهیم). دو اتم هیدروژن با طی مراحل زیر، یک هلیم-4 می سازند.

1. ضمن اتصال دو پروتون، یک دوتریوم (اتم هیدروژن با یک نوترون و و پروتون)، یک پوزیترون (مشابه الکترون اما با بار مثبت) و یک نوترینو ساخته می شود.
2. یک پروتون و یک دوتریوم با هم ترکیب می شوند تا اتم هلیم-3 (دو پروتون و یک نوترون) ساخته شود و در این حین اشعه گاما هم آزاد می گردد.
3. دو اتم هلیم-3 با هم ترکیب می شوند و اتم هلیم-4 (دو پروتون و دو نوترون) با دو پروتون را حاصل می شوند.

واکنش های فوق، 85 درصد انرژی خورشید را تولید می کنند اما 15 درصد باقی مانده از راه دیگری تامین می شود:

1. یک اتم هلیم-3 با یک اتم هلیم-4، سبب تشکیل بریلیم-7 (چهار پروتون و سه نوترون) و ساطع شدن اشعه گاما می شوند.
2. اتم بریلیم-7 تشکیل شده، یک الکترون در اختیار می گیرد تا اتم لیتیم-7 (سه پروتون و 4 نوترون) ساخته شود. در نتیجه این واکنش یک نوترینو هم آزاد خواهد شد.
3. لیتیم-7 با یک پروتون ترکیب شده تا دو هلیم-4 تولید شود.

اتم های هلیم-4 کوچک تر از دو اتم هیدروژنی هستند که سبب شروع این پروسه می شوند. بنابراین تفاوت در حجم، به انرژی تبدیل می شود، درست همانطور که در نظریه نسبیت اینشتین (E=mc²) تعریف شده و این انرژی به صورت های مخلف نوری آزاد می شود: ماوراء بنفش، اشعه اکس، نور مرئی، مادون قرمز، میکروویو و امواج رادیویی.

علاوه بر نورها، خورشید ذرات پر انرژی همچون نوترون و پروتون را هم به بیرون پرتاب می کند که سبب ایجاد بادهای خورشیدی می گردند. همین انرژی است که به زمین برخورد کرده و هوا را گرم می کند. البته جو زمین در برابر این بادها و امواج پرانرژی می ایستد و از آسیب رسیدن به ما جلوگیری می کند.

ناحیه تابشی و همرفتی

هر آنچه در قسمت بالا گفتیم درون هسته خورشید رخ می دهد اما بگذارید اندکی به سطح بیاییم.

ناحیه تابشی دور هسته را تا شعاع 70 درصد فراگرفته. انرژی تولید شده در هسته توسط فوتون ها یا واحدهای نوری به ناحیه تابشی وارد می شود. هر فوتونی که ساخته می شود، به اندازه یک میکرون (یک میلیونم متر) حرکت می کند و سپس توسط مولکول گازی دیگری جذب می شود. پس از جذب، مولکول گاز گرم شده و فوتونی با همان طول موج ساطع می کند. این چرخه با سرعتی سرسام آور تقریبا 10²⁵ بار تکرار می شود تا در نهایت به سطح برسد. بنابراین از زمان تولید تا ساطع شدن از سطح خورشید زمان بسیاری طول می کشد. نوری که حالا به ما می رسد علی رغم اینکه 8 دقیقه نوری با ما فاصله داشته، یک پروسه طولانی را هم درون خورشید طی نموده است.

ناحیه همرفتی، 30 درصد باقی مانده را تشکیل می دهد و جریانات همرفتی سراسر آن را فرا گرفته اند. گازهای سرد و گرم مرتبا جایگاه خود را با یکدیگر تعویض کرده و انرژی تولید شده را به بیرون می تابانند. اگر بخواهیم شبیه سازی از نوع عملکرد این ناحیه ارائه دهیم، می توان به ظرف آب در حال جوش اشاره کرد. مولکول های آب مرتبا در حرکت اند و با توجه به دمایی که دارند، جای خود را با هم عوض می کنند. با در نظر گرفتن تمامی جوانب، حدود 100 الی 200 هزار سال طول می کشد تا یک فوتون از هسته به سطح خورشید برسد!

اتمسفر خورشید

بالاخره به سطح و اتمسفر خورشید رسیدیم. درست همانند زمین، خورشید هم اتمسفر مخصوص به خود را دارد که از فوتوسفر، کروموسفر و کورونا تشکیل شده.

فوتوسفر پایین ترین ناحیه از جو است و هر گاه به آسمان می نگریم تا خورشید را پیدا کنیم، دقیقا به فوتوسفر خیره می شویم و به همین علت برخی می گوید فوتوسفر سطح خورشید است. ناحیه فوتوسفر 300 الی 400 کیلومتر است و دمایی در حدود 5800 درجه کلوین دارد. هر چه از فوتوسفر بالاتر می رویم، دما کاهش می یابد گازها به خاطر اینکه سردتر اند، انرژی نوری بسیاری ساطع نمی کنند. همین مسئله سبب می شود که چشم انسان آن را تار ببیند.

کروموسفر در حدود 2 هزار کیلومتر ضخامت دارد اما به دو ناحیه بالایی و پایینی تقسیم می شود که دمایی متغیر میان 4500 تا 10000 درجه کلوین دارند. این قسمت با جریانات هوای گرمی که از فوتوسفر می رسد به شدت داغ می شود. در حقیقت، گازها به فوتوسفر که می رسند، موج های شوک دار پدید می آورند که گازهای اطراف را نیز گرم می کند و انرژی بیشتری آزاد می شود.

کورونا آخرین لایه جو خورشید و گرم ترین آن ها است اما با این حال میلیون ها کیلومتر فراتر می رود. در زمان کسوف خورشید، تصاویر اشعه اکس که از خورشید گرفته می شود این لایه را به خوبی نمایش می دهد. به طور میانگین، درجه حرارت کورونا در حدود 2 میلیون درجه کلوین است. هنوز کسی به طور قطع نمی داند که چرا کورونا باید تا این حد داغ باشد اما مغناطیس خورشید و همچنین فرار ذره های پر انرژی به این لایه می تواند یکی از دلایل آن باشد. در کورونا هم مناطق داغ وجود دارد و هم مناطقی تیره که به آن ها حفره های کورونایی می گویند. در این حفره ها میزان حضور ذرات پر انرژی به شدت اندک است.

لکه های خورشیدی، زبانه های خورشیدی و شعله های خورشیدی

روی سطح خورشید اتفاقات جالبی رخ می دهد که سه مورد از آن ها را می خواهیم بررسی کنیم.

لکه های خورشیدی روی فوتوسفر و معمولا به صورت جفت تشکیل می شوند که در واقع میدان های مغناطیسی شدید هستند و راه خود را به سطح خورشید باز کرده اند. علت تشکیل میدان های مغناطیسی نیز حرکت گازها بیان شده و چرخه ای 11 ساله است.

لابد تا به حال تصاویری را دیده اید که حجم عظیمی از گازها با نظمی نسبی از سطح بلند شده اند و روی یک خط بالا آمده اند. علت ایجاد چنین رخدادی، خطوط مغناطیسی لکه های خورشیدی است و زبانه های خورشیدی نامیده می شوند.

زبانه های خورشیدی می توانند دو الی سه ماه دوام داشته باشند و به اندازه 50 هزار کیلومتر از سطح خورشید بالا بروند. به محض رسیدن به این ارتفاع، زبانه ها در حد چند دقیقه تا چند ساعت می توانند گدازه های خود را با سرعت هزار کیلومتر بر ثانیه به سمت بیرونی پرتاب کنند. چنین اتفاقی را فوران تاجی گویند.

گاهی اوقات درون لکه های خورشیدی، انفجارهای مهیبی ایجاد می شود و سبب پرتاب گازها به سمت بالا می شود که چنین حالتی را شعله های خورشیدی گویند. گفته می شود که شعله های خورشیدی به علت تغییرات ناگهانی میدان مغناطیسی در برخی مناطق ایجاد می شوند. وقتی این اتفاق رخ می دهد، گازها، الکترون ها، نورهای مرئی، نور فرابنفش و اشعه اکس آزاد می شود.

تا به حال در مورد شفق قطبی شنیده اید؟ یا حتی خود یا تصاویرش را دیده اید؟ یکی از دلایل شکل گیری شفق قطبی، رسیدن این ذرات به کره زمین است. البته شعله های خورشیدی ضررهایی هم برای ما زمین نشین ها دارد. زمانی که یک موج شدید از آن به زمین می رسد، سیستم های راهبری، نیروگاه های برق، ماهواره ها و اتصالات بی سیم دچار اختلالات شدید می شوند. تابش ها و همچنین ذرات، جو را یونیزه می کنند و مانع برقراری ارتباط ماهواره ها با زمین و حتی ارتباطات زمینی می شوند.

آینده خورشید

خورشید در حدود 4.5 میلیارد سال سن دارد. اندازه آن، تعادلی است میان فشار بیرونی (که توسط همجوشی هسته ای و انرژی آزاد شده به وجود آمده) و گرانش درونی. در طی 4.5 میلیارد سال، اندازه خورشید 6 درصد بزرگ تر شده و تقریبا به اندازه 5 الی 5.5 میلیارد سال دیگر انرژی درون خود دارد که همچنان بسوزد. در این بازه زمانی، خورشید باز هم بزرگ تر خواهد شد.

وقتی که هسته، خالی از هیدروژن شود، نهایتا این ستاره زیر بار گرانش کمر خم می کند و منقبض می شود. با این حال، هنوز هیدروژن در لایه های بالایی در حال انجام واکنش شیمیایی است. به محض انقباض هسته، دما بالا می رود و حرارت آن به لایه های بالایی منتقل می شود در نتیجه شعاع خورشید و لایه های بیرونی به قدری افزایش می یابد که ستاره به غول سرخ تبدیل می شود.

شعاع غول سرخ 100 برابر شعاع کنونی خورشید است. در حقیقت غول سرخ ستاره ی ما، زمین را می بلعد و آن را بخار می کند. پس از این اتفاق، هسته آنقدر داغ می شود که هلیم به کربن تبدیل می شود. زمانی که هلیم به اتمام برسد، هسته گسترش می یابد و خنک می شود اما لایه های بالایی همچنان در حال پرتاب مواد به خارج هستند.

دست آخر، هسته خنک و خنک تر شده و به کوتوله سفید تبدیل می شود. کوتوله سفید هم عمر زیادی ندارد و جای خود را به کوتوله سیاه می دهد که دیگر تقریبا دیدن آن امکان پذیر نیست. این پروسه تقریبا چند میلیارد سال به طول می انجامد.

بنابراین انسان ها از بابت خورشید نگرانی خاصی ندارند، هنوز تا زمانی که نور خورشید کم سو شود و ما را در خود ببلعد زمان زیادی فرصت باقی مانده.