آیا یک انفجار کیهانی باعث رقص یونوسفر شد؟

در 1 آگوست 1983، اتمسفر زمین توسط یک انفجار پرتو گاما (GRB) از هم پاشید که احتمالاً در اثر انفجار یک ستاره پرجرم مجاور ایجاد شده است. فوتون‌های پرانرژی، یونوسفر پایینی – ناحیه نیمه یونیزه شده جو زمین – را به‌قدری آشفته کردند که بر امواج رادیویی با فرکانس پایین که در اطراف سیاره حرکت می‌کنند، تأثیر بگذارد.

در 40 سال پس از آن، ستاره شناسان به طور متوسط ​​بیش از یک GRB در روز ثبت کرده اند. با این حال، به نظر نمی‌رسید که هیچ‌کدام جو را به شکل قابل‌توجهی بر هم نزند تا زمانی که گروهی از محققان در 9 اکتبر 2022 یک GRB درخشان را به یک اختلال در بالاترین یونوسفر مرتبط کردند.

این دانشمند هواشناسی فضایی گفت: «به طور کلی این یک مشکل آستانه است میرکو پیرسانتی در دانشگاه اکویلا و موسسه ملی اخترفیزیک ایتالیا که نویسنده اصلی این مطالعه است. منتشر شده در ارتباطات طبیعت ارائه یافته او و همکارانش از داده های رصدخانه چینی-ایتالیایی استفاده کردند ماهواره لرزه ای-الکترومغناطیسی چینی (CSES، همچنین به عنوان Zhangheng شناخته می شود) برای شبیه سازی چگونگی واکنش یونوسفر به تشعشعات گاما از اعماق فضا.

به گفته پیرسانتی، مشکل آستانه این است که فقط یک GRB بسیار قدرتمند به اندازه کافی از اتمسفر فوقانی با چگالی پایین را برای مدت طولانی یونیزه می کند تا قابل تشخیص باشد. بنابراین، مشکل در جدا کردن پرتوهای گامای کیهانی از بسیاری از پدیده‌های دیگر است که این منطقه را تحت تأثیر قرار می‌دهند.

قاتلان ماهواره های فضایی

علاوه بر درک ارزش GRBs برای اخترفیزیک، خطرات انسانی به طور بالقوه زیاد است.

بیشتر و بیشتر زیرساخت‌ها و اقتصاد ما در سیستم‌های فضایی و انرژی پارک می‌شوند، بنابراین بیشتر و بیشتر در سطح جهان در معرض خطر هستند. آرون برنمندانشمند جوی در مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا که در این مطالعه شرکت نداشت.

پرتاب جرم تاجی از خورشید جو را به اندازه ای مختل می کند که ارتباطات و ماهواره های ناوبری و همچنین شبکه های برق را مختل کند، و خوب است بدانیم که آیا GRB ها می توانند همین کار را انجام دهند یا خیر. (برخی از محققان حتی حدس می زنند که الف یک GRB قدرتمند در نزدیکی می توانست به الف کمک کند انقراض دسته جمعی حدود 450 میلیون سال پیش.)

بهترین داده ها برای اندازه گیری مقیاس تهدید، و همچنین برای تعیین اینکه آیا یک ستاره در حال انفجار مقصر انقراض های دسته جمعی است یا خیر، از رویدادهایی مانند GRB 2022 به دست می آید.

در سال 1988، جی جی فیشمن و یو اس اینان استفاده از یونوسفر را به عنوان یک آشکارساز GRB در مقیاس سیاره ای. از آن زمان، ستاره شناسان تلسکوپ های زیادی (از جمله فضا) ساخته اند سریع و مزارع رصدخانه ها) قادر به توصیف GRB ها هستند، اما هیچ یک از این صدها رویداد در اندازه گیری های یونوسفر ثبت نشده است.

عوامل زیادی می توانند این کمبود داده ها را توضیح دهند. اگرچه GRB ها یکی از درخشان ترین رویدادهای کیهان هستند، اوج انتشار پرتو گاما از GRB های به اصطلاح طولانی بیش از چند دقیقه طول نمی کشد. همراه با فاصله زیاد تا بیشتر آنها – میلیون ها یا میلیاردها سال نوری – به احتمال زیاد تعداد کمی از GRB ها فوتون های کافی برای رقص یونوسفر تولید می کنند.

هنگامی که فوتون های پرانرژی به جو برخورد می کنند، الکترون ها را از برخی اتم ها جدا می کنند و گاز یونیزه شده به نام پلاسما را تشکیل می دهند. این فرآیند فوتیونیزاسیون نامیده می شود. با گذشت زمان، الکترون ها دوباره به هسته ها می پیوندند (به عنوان خنثی سازی شناخته می شود). CSES شامل یک ابزار میدان الکتریکی است که می تواند این فرآیندها را اندازه گیری کند.

چگالی گاز در اتمسفر بالایی پایین است، بنابراین حتی رویدادهای چشمگیر مانند GRBs ممکن است پلاسما زیادی تولید نکنند. شبیه‌سازی محققان نشان می‌دهد که سرعت فوتیونیزاسیون باید حداقل 5 برابر سریع‌تر از خنثی‌سازی باشد تا اثر GRB در یونوسفر شناسایی شود.

پیرسانتی خاطرنشان کرد که معمولاً فقط رویدادهای خورشیدی – که در حد چند ساعت طول می‌کشند – به شدت بر جو تأثیر می‌گذارند.

برعکس، پاسخ اتمسفر برای اکثر GRBها برای ایجاد چنین اثری بسیار کند است. به یک معنا، این اطمینان‌بخش است: اگر GRBها در مفهوم کیهانی رایج هستند، اما اثرات یونوسفری آنها نادر است، خطر برای سیاره برای آینده قابل پیش‌بینی کم است.

اگر پیرسانتی و همکارانش درست می‌گویند، انفجارهای سال‌های 1983 و 2022 آنقدر قوی بودند که سریع‌تر از آن‌که نوترکیبی بتواند شواهد را پاک کند، یونوسفر را با تشعشعات یونیزان پر می‌کند.

عوارض

اگر بزرگ است.

یک محقق آب و هوای فضایی گفت: “موارد بسیار بیشتری وجود دارد که حتی در اینجا در نظر گرفته نشده اند که می توانند نتایج آنها را تحت تاثیر قرار دهند.” الکسا هالفورد، همچنین در مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا که در این مطالعه شرکت نداشت. او گفت که یونوسفر خود بخش بزرگی از مشکل است. واقعاً سخت است که همیشه در سرتاسر جهان اندازه گیری روی زمین انجام دهیم.

بدتر از همه، چیزهای دیگر بسیار نزدیک به خانه می توانند یونیزاسیون را افزایش یا کاهش دهند. خورشید مهم ترین منبع پرتوهای گاما و ذرات باردار الکتریکی است که بر یونوسفر تأثیر می گذارد. بسته به روز یا شب بودن و میزان فعالیت خورشیدی یا طوفان های زمین، میزان گاز یونیزه شده در اتمسفر فوقانی می تواند بسیار متفاوت باشد.

حتی رعد و برق می تواند کارهای جالب زیادی انجام دهد [ionospheric] هالفورد گفت. ما هم این را کاملاً درک نمی کنیم.»

بخشی از مشکل این است که دسترسی به یونوسفر دشوار است. بسیاری از داده ها از انتقال امواج رادیویی با طول موج بلند که با گاز یونیزه شده در تعامل هستند، به دست می آید. آزمایش‌های دیگر شامل موشک‌های با صدا در ارتفاع بالا است که مستقیماً در یونوسفر پایین پرواز می‌کنند. فضاپیمای CSES مورد استفاده پیرسانتی و همکارانش در بالاترین لایه جو پرواز می کند. با این حال، هیچ یک از این روش‌ها نماهای 24 ساعته جهانی از یونوسفر را ارائه نمی‌دهند و شکاف‌های داده‌ای را باقی می‌گذارند که باید با استنتاج آماری یا مدل‌های نظری پر شوند.

با این عدم قطعیت ها و تنها دو GRB برای کار، هالفورد و برنمان به پیرسانتی پیوستند و خواستار همکاری بیشتر بین اتمسفر، آب و هوای فضا، فیزیک پلاسما و اخترفیزیکدانان شدند.

«یونوسفر به عنوان [GRB] هالفورد گفت: آشکارساز هنوز چیزی است که بسیار مورد نظر است و ما قطعاً باید برای درک آن بیشتر تلاش کنیم.

– متیو آر. فرانسیس (@DrMRFrancis)، نویسنده علم

نقل قول: فرانسیس، ام آر (2024)، آیا یک انفجار کیهانی باعث رقص یونوسفر شد؟ Eos، 105، https://doi.org/10.1029/2024EO240012. ارسال شده در 8 ژانویه 2024

متن © 2024. نویسندگان. CC BY-NC-ND 3.0
مگر اینکه غیر از این ذکر شده باشد، تصاویر مشمول حق چاپ هستند. هرگونه استفاده مجدد بدون اجازه صریح از صاحب حق چاپ ممنوع است.

متصل