چتري از پلاسما بر سر فضانوردان

[مسافر007]

ناسا براي فرستادن فضانوردان به مريخ نگران است، چرا كه قرار گرفتن در معرض بادهاي پرانرژي خورشيدي، كُشنده است. اما گروهي تحقيقاتي در آزمايشگاه آپلتون رادرفورد (ral)، در انگلستان، به يك راه حل رسيده‌اند. آنها نشان داده‌اند كه آهن‌ربايي به اندازه انگشت شست دست، قادر است جرياني از ذرات باردار همچون باد خورشيدي را منحرف كند.
هسته زمين همچون ديگي چرخان از مواد مذاب است كه سبب توليد مگنتوسفر (مغناطيس‌كُره) شده است. مگنتوسفر زندگي را بر روي زمين ممكن ساخته است. در حقيقت، مگنتوسفر ميداني مغناطيسي است كه دور زمين را پوشانده و باد خورشيدي را منحرف مي‌كند. بدون اين محافظ، برخي از ذراتي كه از خورشيد ساطع مي‌شوند از ميان بدن ما گذشته و سيستم سلولي ما را در هم مي‌شكنند.
اما در فواصل دور از زمين (به عنوان مثال براي سرنشيناني كه به سمت مريخ سفر مي‌كنند)، لايه محافظ را از دست مي‌دهيم. باد خورشيدي مي‌تواند جرياناتي از پرتو، 1000 برابر قدرتمندتر از بمب‌هاي اتمي ‌هيروشيما و ناكازاكي ايجاد كند. از اين‌رو دانشمندان همواره به دنبال يافتن يك محافظ مناسب براي فضانوردان بوده‌اند.
در سال 1960 "ورنر فون براون،" تصميم گرفت يك محافظ مغناطيسي براي فضاپيما طراحي كند. او سرانجام نظر خود را تغيير داد، زيرا تصور مي‌كرد كه براي ساختن اين محافظ به يك آهن‌رباي بزرگ احتياج دارد و ساخت اين آهن‌ربا غيرعملي و نشدني است. اما او اشتباه مي‌كرد.
ما در ابتدا تصور مي‌كرديم كه در منظومه شمسي فقط اجرامي ‌به اندازه كافي بزرگ كه داراي هسته آهني مذاب و چرخان هستند، مگنتوسفر دارند. اما بعدها به اين نتيجه رسيديم كه منظومه شمسي ما شامل محافظ‌هاي مغناطيسي كوچك اما به طور شگفت‌آوري قدرتمند است.
به نظر مي‌رسد كه بر روي ماه، محدوده‌هايي شامل ميدان مغناطيسي وجود دارد. در سال 1998 "كاوشگر ماه" ناسا بر روي يكي از اين مناطق پرواز كرد. در فاصله 18 كيلومتري بالاي سطح ماه، ابزار حساس نشان داد كه كاوشگر از ميان منطقه‌اي از خطوط ميدان مغناطيسي در حال گذر است. در حقيقت اين كاوشگر، به يك ميني مگنتوسفر وارد شده بود كه ذرات باد خورشيدي نمي‌توانست در آن نفوذ كند. احتمالا اين ميدان زماني به وجود آمد كه گرماي ناشي از يك سيارك برخوردي، سطح ماه را ذوب كرد و به اين ترتيب پلاسما (ابري از گاز داغ و يونيده) به وجود آمد. پلاسما شامل ميدان مغناطيسي است بنابراين زماني كه سطح ماه دوباره سفت و جامد مي‌شود، اثرات مغناطيسي پلاسما بر روي سنگ‌هاي ماه ثبت مي‌شود. كاوشگر ماه پي برد كه پهناي اين ميدان چند صد كيلومتر است و تا ده‌ها كيلومتر به فضا امتداد دارد و گسترش يافته است.
ماه تنها مكاني نيست كه محافظ مغناطيسي دارد. در بخش‌هايي از مريخ نيز بسته‌هايي از ميدان مغناطيسي وجود دارند كه باقي‌‌مانده از دوراني است كه مريخ به اندازه‌اي داغ بود كه توانست مگنتوسفر خود را توليد كند. در مريخ نيز همچون ماه، اثراتي از ميدان مغناطيسي بر روي سنگ‌ها حك شده است.
هيجان‌انگيزتر از اين موضوع، مربوط به كشفي است كه فضاپيماي "گاليله" ناسا در سال 1990 ميلادي انجام داد. اين فضاپيما در مسير خود به سمت مشتري، با دو سيارك "آيدا" و "گاسپرا" كه به ترتيب داراي پهناي 30 و 20 كيلومتر بودند، ملاقات كرد. برخلاف انتظار، مشاهده شد كه هر دو جرم شامل ميدان‌هاي مغناطيسي ضعيفي هستند. شايد سياره يا قمري بزرگ كه دروني مذاب داشته و داراي ميدان مغناطيسي بوده، در اثر يك برخورد درهم شكسته و تكه‌تكه شده و اين دو سيارك را به وجود آورده باشد.
گاليله در اطراف هر دو سيارك مناطق محافظي شبيه به مگنتوسفر زمين را تشخيص داد. اما اين مناطق در فاصله بسيار دورتري (نسبت به آن‌چه انتظار مي‌رفت) از سطح سيارك بودند.
حال به بررسي جزئيات مي‌پردازيم. هنگامي‌كه يك ذره باردار با ميدان مغناطيسي برخورد مي‌كند، ابتدا يك نيروي عمود بر خطوط ميدان را تجربه مي‌كند. ذره به سمت جلو حركت مي‌كند اما نه به طور مستقيم و در طول خطوط ميدان. در حقيقت، اين ذره به طور مارپيچ با شعاع "لارمور" به دور خطوط ميدان حركت مي‌كند.
شعاع لارمور به قدرت ميدان، جرم و بار ذره و سرعت حركت ذره بستگي دارد. در منطقه‌اي كه باد خورشيدي، ميدان مغناطيسي زمين را ملاقات مي‌كند، يك ذره باد خورشيدي (يك پروتون) داراي شعاع لارموري بين 20 تا چند صد كيلومتر است. بنابر اين مگنتوسفري با پهناي 20 تا چند صد كيلومتر قادر است ذراتي را كه در حال ضربه زدن به سطح زمين هستند، متوقف كند.
اما اجرامي ‌به كوچكي آيدا و گاسپرا نمي‌توانند مگنتوسفري به اين اندازه توليد كنند. باد خورشيدي، پلاسمايي است كه از ذرات باردار ساخته شده و داراي ميدان مغناطيسي است. زماني كه ميدان ناشي از باد خورشيدي به ميني مگنتوسفر سنگ‌ها مي‌رسد، دو ميدان با يكديگر برخورد كرده و نيرويي را به يكديگر وارد مي‌كنند. در اين زمان، ميدان ناشي از باد خورشيدي جهتش را به حداقل تضاد با ميدان ميني مگنتوسفر تغيير مي‌دهد.
جرم پروتون‌هايي كه داراي بار مثبت هستند تقريبا 2 هزار برابر جرم الكترون‌هاي با بار منفي است. بنابراين الكترون‌ها آسان‌تر منحرف مي‌شوند، پس الكترون‌ها در سطح حباب مغناطيسي مي‌مانند، در حالي‌كه ذرات باردار مثبت بيشتر در آن نفوذ مي‌كنند.
اين جدايي بارهاي مثبت و منفي، ميدان‌هاي الكتريكي شديدي را كه بيش از يك ميليون برابر قوي‌تر از ميدان‌هاي مغناطيسي توليد شده توسط همين ذرات هستند، به وجود مي‌آورند. ذرات بعدي باد خورشيدي با برخورد به اين ميدان‌هاي الكتريكي، به شدت منحرف مي‌شوند. نتيجه اين فرايند، ايجاد حفاظي قدرتمندتر ازحفاظ توليد شده توسط ميدان مغناطيسي است.
"بامفورد" و گروهش در اين رابطه آزمايشي را طراحي كردند. آنها آهن‌ربايي به قطر 5/2 سانتي‌متر را در يك لوله بلند استوانه‌اي شكل از خلا آويزان كردند. سپس پلاسما را با سرعت فراصوت به سمت آن دميدند. شعاع لارمور ذرات در حدود 120 ميلي‌متر بود. آنها بايد درست به آهن‌ربا برخورد مي‌كردند. اما اين‌طور نشد. هيچ‌يك از ذرات به آهن‌ربا نرسيدند. بررسي‌ها نشان داد كه خطوط ميدان مغناطيسي در اطراف آهن‌ربا متمركز شده و يك ميني مگنتوسفر را ايجاد كرده است. همچنين، ذرات باردار توسط يك حباب محافظ تابان از پلاسما تا 25 ميلي‌متر خارج از آهن‌ربا و در طول آن گسترده شده بودند.
اين آزمايش توانست چشم‌انداز ما را براي پروازهاي فضايي تغيير دهد. پيش از اين، ناسا به بررسي دو روش براي مقابله با پرتوهاي مضر كه مانع اكتشافات فضايي مي‌شوند، مي‌پرداخت. يك روش، يافتن دارويي است كه بتوان احتمال مبتلا شدن فضانوردان را به بيماري‌هايي همچون سرطان كاهش داد يا حتي آسيب‌هاي وارد شده به دي.ان.اي را بهبود بخشيد. روش ديگر، حمل محافظ‌هاي سنگيني ساخته شده از فلز يا تانكرهايي از آب است كه تاثير جو زمين را تقليد كنند؛ به اين ترتيب كه ذرات بدون بار يا با انرژي بالا را جذب كنند.
اما امروزه ناسا انتخاب سومي ‌نيزدارد: فضاپيمايي بسازد كه مگنتوسفر محافظ را كه توسط يك آهن‌رباي الكتريكي توليد شده است، حمل كند.
اين ايده خوب مطابق با نظر "اندرو كوتز" از آزمايشگاه علمي‌ـ فضايي "مولارد" انگلستان است. او مي‌گويد حمل مگنتوسفر با فضاپيما شدني است؛ با اين حال، مشكلاتي به همراه خواهد داشت. انرژي همواره يك منبع كمياب در فضاپيماست. وي اضافه مي‌كند ما هنوز نمي‌دانيم كه ميني مگنتوسفر مي‌تواند ذراتي با انرژي بالاتر را منحرف كند يا خير. او مي‌گويد: "من فكر مي‌كنم ذرات پرانرژي، از ميان آن به سختي به طور مستقيم جلو مي‌روند."
"تيتو مندونكا" از موسسه سوپريور تكنيكو در لندن، مي‌گويد: "ما به خوبي مي‌دانيم كه مگنتوسفر زمين به خوبي از ما در برابر باد خورشيدي محافظت مي‌كند. اما پاسخ به اين سوال كه ميني مگنتوسفر تا چه حد خاصيت حفاظتي دارد هنوز بسيار زود است." او مي‌گويد مگنتوسفر ذرات خنثي از قبيل فوتون‌هاي پرانرژي را منحرف نمي‌كند.
بامفورد به خوبي از اين مسائل آگاه است. اما او مي‌داند كه يك ميني مگنتوسفر كه داراي گستردگي چندصدمتر است، مي‌تواند در تركيب با محافظ‌هاي قوي استفاده شود تا پرتو‌هاي پرانرژي و خنثي را كه سبب سوختگي فضانوردان مي‌شود، متوقف كند. او مي‌گويد: "اگر شما در يك روز باراني بيرون برويد، مي‌توانيد يك كت بپوشيد. همچنين شما مي‌توانيد يك چتر هم به همراه خود ببريد. اين چتر همان ميني مگنتوسفر است. در حقيقت ميني مگنتوسفر چتري از پلاسماست كه توسط ميدان‌هاي مغناطيسي در بالا نگه داشته شده است. حتي اگر ميني مگنتوسفر تنها 50 درصد از ذرات خورشيدي را مسدود كند، در حقيقت توانسته نقش يك محافظ با جرم بزرگ را براي حفاظت از ما ايفا كند و اين به فضانورد اجازه مي‌دهد كه سوخت كمتري را حمل كند."
بامفورد در حال گفت‌وگو با سازمان فضايي اروپا و ناسا در ارتباط با اين موضوع است. او مي‌گويد آنها مي‌خواهند با ما در مورد اين موضوع كار كنند تا راه حلي براي بزرگ‌ترين مشكلشان براي فضانوردان بيابند.
آيا ما مي‌توانيم محافظي بسازيم كه در مقابل طوفان‌هاي خورشيدي كه ذراتي با انرژي ميليون‌ها يا حتي ميليارد‌ها الكترون ولت را به بيرون پرتاب مي‌كنند، مقاومت كند؟
آزمايش‌هايي كه توسط بامفورد و گروهش صورت گرفته، به همراه مدل‌هاي رايانه‌اي آنها، نشان مي‌دهند كه ميدان الكتريكي مي‌تواند بيشتر يون‌هاي پرانرژي را منحرف كند. اما سوال اصلي اين است كه چه مقدار پرانرژي‌تر؟
بامفورد مي‌گويد: "ما هنوز نمي‌توانيم روي هر يك از آنها عدد بگذاريم. اين چيزي است كه ما هم اكنون به طور دقيق به آن مي‌پردازيم." ما مي‌توانيم خوش‌بين باشيم كه آنها اين اعداد را با استفاده از شبيه‌سازي‌هاي رايانه‌اي و آزمايش‌هاي دقيق‌تر به دست مي‌آورند.
منبع: هوپا