چگونه شراره‌های ستاره‌ای تنها در چند روز جو سیارات را دگرگون می‌کنند؟

1

ستارگان می‌توانند دچار فوران‌هایی بسیار پرانرژی شوند. این فوران‌های ناگهانی اشعه ایکس و نور فرابنفش، اگر از خورشید باشند «شراره خورشیدی» و اگر از سایر ستاره‌ها باشند «شراره ستاره‌ای» نام دارند. این پدیده‌ها سیلی از ذرات باردار را به سوی فضا روانه می‌کنند.

مطالعه‌ای تازه نشان می‌دهد که تنها یک شراره ستاره‌ای می‌تواند جو یک سیاره در ابعاد زمین را طی چند روز بازآرایی کند: لایه‌هایی را گرم کرده، برخی دیگر را سرد کند و بادهایی چنان قدرتمند ایجاد کند که نوارهای ابری را از نو ترسیم کند.

این پژوهش حتی پیشنهاد می‌کند که چنین اثراتی، هرچند ضعیف‌تر، ممکن است در آب‌وهوای منطقه‌ای زمین نیز قابل مشاهده باشند.

دکتر آصاف هوخمان که سرپرست تیم مدل‌سازی این پژوهش بوده، می‌گوید:
«این مطالعه به پیوند کمتر بررسی‌شده اما مهم میان خورشید و اقلیم اشاره دارد.»

درک شراره‌های ستاره‌ای – مفاهیم پایه

ماهیت شراره‌های ستاره‌ای

شراره‌های ستاره‌ای فوران‌هایی انفجاری از انرژی هستند که در اثر بازآرایی ناگهانی خطوط میدان مغناطیسی در جو بیرونی ستاره‌ها ایجاد می‌شوند.

مشابه شراره‌های خورشیدی، این رویدادها تابشی پرانرژی در طیف الکترومغناطیسی منتشر می‌کنند که شامل فرابنفش، اشعه ایکس و گاه امواج رادیویی است.

قدرت بیشتر در ستاره‌های جوان و فعال

شراره‌های ستاره‌ای معمولاً از نظر شدت و تکرار، بسیار پرقدرت‌تر از همتایان خورشیدی خود هستند، به‌ویژه در ستاره‌های جوان و مغناطیسی فعال. این فوران‌ها در مناطقی با پیچش‌های شدید مغناطیسی شکل می‌گیرند که به ناگاه به هم برخورد کرده و انرژی آزاد می‌کنند.

در این میان، ستارگان کوتوله قرمز (Red Dwarf) خشن‌ترین شراره‌ها را تولید می‌کنند. با آنکه این ستاره‌ها از خورشید کوچک‌تر و سردترند، میدان‌های مغناطیسی آن‌ها قوی‌تر و بی‌نظم‌تر است که شراره‌های پرانرژی را تحریک می‌کند.

تأثیر بر زیست‌پذیری سیارات

این فوران‌ها می‌توانند در عرض چند دقیقه درخشش ستاره را به‌طرز چشمگیری افزایش دهند و با زدودن جو یا تابش مستقیم، برای زیست‌پذیری سیارات اطراف چالش‌آفرین باشند.

شراره‌های خورشیدی و تأثیر بر آب‌وهوای سیارات فراخورشیدی

شروع رویدادهای اقلیمی فضایی

هنگامی‌که گره‌های مغناطیسی روی یک ستاره شکسته می‌شوند، پلاسما با سرعت به فضا پرتاب می‌شود. در مورد ستاره‌های کوتوله قرمز، شراره‌ها می‌توانند انرژی‌هایی معادل ۱۰³⁵ ارگ تولید کنند که چندین مرتبه قوی‌تر از شراره‌های خورشیدی است.

شبیه‌سازی تأثیر شراره بر سیاره TRAPPIST-1e

در مطالعه اخیر، از یک مدل سه‌بعدی گردش عمومی برای شبیه‌سازی سیاره فراخورشیدی TRAPPIST-1e استفاده شد که یکی از چهره‌هایش همیشه به سمت ستاره‌اش است (قفل جزر و مدی دارد).

پس از هر شراره شبیه‌سازی‌شده، مدل تغییرات لحظه‌به‌لحظه دما، ترکیب شیمیایی و باد را پیگیری کرد.

• اکسیدهای نیتروژن در جو فوقانی گرما را تابش می‌کردند و دمای ترموسفر را تا ۱۸۰ درجه فارنهایت کاهش دادند.
• در همین حال، بخار آب و اکسید نیتروژن در لایه‌های پایین‌تر، نور فروسرخ را به دام انداخته و سبب گرم شدن شدند.
• در مزوسفر پایین، دما تا ۵۰ درجه فارنهایت افزایش یافت.
• بادهای سمت شب از سرعت ۹۰ مایل بر ساعت فراتر رفتند که بسیار بالاتر از سطح معمول بود.

تغییرات بادها در اثر شراره‌ها

سازوکار تخریب لایه ازن

پروتون‌های ورودی، مولکول‌های نیتروژن را شکافته و گونه‌های «نیتروژن غیرعادی» تولید می‌کنند که سبب از بین رفتن ازن می‌شوند.

با نازک شدن لایه ازن، نور فرابنفش به لایه‌های عمیق‌تر نفوذ کرده و الگوهای گرمایش و فشار را تغییر می‌دهد.

نتایج مدل‌سازی

در فعال‌ترین سناریوهای شراره‌ای، ۸۰٪ ازن استراتوسفر در طول هشت سال شبیه‌سازی شده از بین رفت، که با یافته‌های قبلی مدل‌های یک‌بعدی مطابقت دارد.

با نازک شدن سپر فرابنفش، مزوسفر گرم‌تر و منبسط‌تر شده و جت‌های شرقی-غربی سرعت گرفتند.

این تغییرات باد با فوران‌های گرانشی مشاهده‌شده در مدل‌های زمین پس از رویدادهای قوی پروتونی خورشیدی تطابق دارد.

واکنش زمین به شراره‌ها

تأثیر واقعی شراره‌ها بر جو زمین

با وجود میدان مغناطیسی قدرتمند و لایه ازن ضخیم، زمین نیز در برابر شراره‌های خورشیدی آسیب‌پذیر است.

• طوفان‌های ژئومغناطیسی در سال ۲۰۰۳ دمای استراتوسفر میانی را در مناطق گرمسیری ۰٫۹ درجه و در قطب جنوب نزدیک به ۴ درجه فارنهایت کاهش دادند.
• در همان سال، رویداد بزرگ پروتونی موسوم به «هالووین» باعث شد تزریق اکسید نیتریک دمای مزوسفر قطبی را تا ۱۸ درجه فارنهایت افزایش دهد.

دکتر هوخمان و تیمش معتقدند که اگر داده‌های واقعی پروتونی در مدل‌های هواشناسی امروز وارد شوند، این تغییرات آنی نیز در بازتحلیل‌ها (Reanalysis) ظاهر خواهند شد.

شراره‌های خورشیدی و امکان زیست سیارات

زیست‌پذیری تنها به دمای سطح محدود نمی‌شود. دسترسی پایدار به آب مایع، شیمی باثبات و دوز قابل تحمل از نور فرابنفش نیز اهمیت دارند، که همگی به دفعات و شدت شراره‌های ستاره‌ای وابسته‌اند.

نتایج نگران‌کننده برای منطقه زیست‌پذیر کلاسیک

مدل‌ها نشان می‌دهند حتی اگر سیاره‌ای در ناحیه زیست‌پذیر کلاسیک باشد، تکرار زیاد شراره‌ها می‌تواند آن را وارد حالت «گلخانه مرطوب» کند، جایی که بخار آب در استراتوسفر به بیش از ۰٫۱ درصد حجمی می‌رسد.

چنین شرایطی می‌تواند روند از بین رفتن هیدروژن را تسریع کرده و در عرض چند صد میلیون سال، سیاره را خشک کند.

اثرات مثبت بالقوه

با این حال، شراره‌ها همیشه مخرب نیستند. ذرات پرانرژی آن‌ها می‌توانند نیتروژن جو را به نیترات تبدیل کرده و شیمی پیش‌زیستی (Prebiotic Chemistry) را در سیارات جوان به حرکت درآورند؛ پدیده‌ای که برای زمین اولیه نیز مطرح شده است.

مدل‌های پیشرفته‌تر و مأموریت‌های آینده

چالش‌های مدل‌سازی

مدل‌ها هنوز محدودیت‌هایی دارند:

• طیف شراره‌ها به‌صورت منبع تابش ۹۰۰۰ درجه کلوین فرض شده، در حالی‌که داده‌های تلسکوپ هابل نشان می‌دهد برخی رویدادهای کوتوله‌های M به بیش از ۱۴۰۰۰ درجه می‌رسند.
• وضوح زمانی مدل‌ها ناکافی است؛ در حالی‌که شراره‌های واقعی در چند دقیقه رخ می‌دهند، مدل‌ها از گام‌های زمانی روزانه استفاده می‌کنند که باعث از دست رفتن جزئیات می‌شود.
• مدل‌سازی تا ارتفاع حدود ۹۰ مایل متوقف شده است؛ گسترش به ترموسفر و مگنتوسفر می‌تواند تأثیر میدان مغناطیسی سیارات بر جذب ذرات را بهتر روشن کند.

آینده رصد مستقیم

• تلسکوپ فضایی جیمز وب نشانه‌هایی از تغییرات آب‌وهوایی روزانه در طیف‌ عبور سیارات فراخورشیدی را گزارش کرده است.
• مأموریت‌هایی مانند رصدخانه سیارات زیست‌پذیر ناسا قرار است کل دیسک سیارات را برای تغییرات روزانه پایش کنند.

اگر شراره‌های خورشیدی بتوانند چنین تغییراتی را سریع ایجاد کنند، نظارت لحظه‌ای بر فعالیت ستاره‌ای می‌تواند یکی از معیارهای اصلی برای شناسایی سیارات زیست‌پذیر باشد.

این مطالعه در نشریه The Astronomical Journal منتشر شده است.