مأموریت ناسا برای لمس خورشید

۲۱ مرداد به وقت ساحل شرقی ایالات متحده، کاوشگر ۱.۵ میلیارددلاری پارکر، سوار بر یک فروند موشک دلتا -۴ هِوی، سفر پرماجرایش را به مقصد خورشید آغاز کرد. در این نوشته، ذیل پنج پرسش، نگاهی به جوانب مختلف این سفر تهورآمیز و نیز اهداف علمی پارکر خواهیم داشت.

۱- پارکر به چه معنا به خورشید سفر خواهد کرد؟
خورشید نزدیک‌ترین ستاره به ماست. برای ستارگان، برخلاف سیارات، نمی‌توان سطح مشخصی در نظر گرفت، چراکه ستارگان نه اجرامی جامد، بلکه از جنس لایه‌هایی از گاز متراکم و گداخته‌اند؛ به‌طوری‌که درجات این تراکم و گداختگی، بسته به فاصله لایه از هسته ستاره، تفاوت می‌کند.

در خورشید، تراکم گاز‌ها از ارتفاعی مشخص از هسته به‌بعد، به‌نحوی تصاعدی کاهش می‌یابد. این ارتفاع، که به واپسین ناحیه نسبتا متراکم از سمت هسته خورشید مربوط است، اصطلاحا «سطح» خورشید خوانده می‌شود؛ لایه‌ای موسوم به «فتوسفر» یا «شیدسپهر». شیدسپهر همان لایه‌ای است که ما با نگاه‌کردن به خورشید می‌بینیم؛ لایه‌ای درخشنده و زردفام که در حدود ۶۹۵ هزار کیلومتر از مرکز خورشید فاصله دارد؛ بنابراین سطح خورشید، برخلاف سطح سیارات سنگی‌ای مانند زمین و مریخ، «پوسته»‌ای با ضخامت ثابت نیست که بتوان بر آن فرود آمد، بلکه لایه‌ای است به ضخامت تقریبا ۴۰۰ کیلومتر از گاز گداخته.

دمای این لایه، چیزی در حدود پنج هزارو ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد است، اما مقصد سفر پارکر، شیدسپهر خورشید نیست؛ بلکه لایه‌ای است همچنان مرتفع‌تر و رقیق‌تر از آن که به «تاج خورشید» معروف است.

تاج، همان محدوده روشن و نامنظمی است که به هنگام یک خورشیدگرفتگی کلی در اطراف قرص تیره ماه دیده می‌شود؛ بنابراین می‌توان حدس زد که تاج، پراکنده‌ترین و درعین‌حال وسیع‌ترین لایه خورشید است. درواقع زمین در رقیق‌ترین نواحی تاج خورشید واقع شده است، اما تراکم گاز‌ها در غلیظ‌ترین نواحی تاج خورشید نیز تنها در حدود یک‌تریلیونیم میزان تراکم گاز‌ها در لایه شیدسپهر است؛ یعنی گاز‌های سازنده تاج، حتی از نسیم سبکی در نزدیکی یک ساحل نیز نامحسوس‌ترند. مقصد پارکر، نواحی داخلی همین محدوده از خورشید است؛ به‌طوری‌که مدار این فضاپیما، در نهایت آن را تا فاصله شش میلیون کیلومتری سطح خورشید نزدیک خواهد کرد؛ فاصله‌ای هفت‌برابر نزدیک‌تر از هر فضاپیمای سابقی به سطح خورشید.

۲- نزدیک‌شدنی چنین به خورشید، چه بازدهی‌ای خواهد داشت؟
تاج خورشید از مرموزترین نواحی منظومه شمسی است، چراکه برخلاف آنچه تصور می‌رود، داغ‌ترین ناحیه در کل منظومه ماست؛ حتی داغ‌تر از هسته خورشید! درواقع با ارتفاع‌گرفتن از سطح خورشید، نمودار دما تنها تا ۵۰۰ کیلومتری سطح خورشید راه کاهش را در پیش می‌گیرد (که سردترین ناحیه خورشید با دمای چهار هزار و صد درجه سانتی‌گراد است).

از آن پس دما رو به افزایش گذاشته و در ارتفاع دو هزارو صدکیلومتری، روندی شتابان به خود می‌گیرد، به‌طوری‌که در محدوده‌ای به ضخامت تنها صد کیلومتر، دما از هشت هزار درجه به ۵۰۰ هزار درجه سانتی‌گراد می‌رسد. این لایه، موسوم به «منطقه گذار»، دروازه ورود به تاج خورشید است. دمای متوسط تاج، از یک تا دو میلیون درجه سانتی‌گراد متغیر است، اما در داغ‌ترین نواحی آن، این دما بعضا به هشت تا ۲۰ میلیون درجه سانتی‌گراد نیز می‌رسد؛ یعنی حتی داغ‌تر از هسته خورشید!

سازوکار این افزایش دمای لجام‌گسیخته، همچنان در هاله‌ای از ابهام است، اما مسلما نمی‌تواند با سه عامل بی‌ارتباط باشد: نحوه جابه‌جایی انرژی در محدوده تاج، سازوکار و الگوی تحولات میدان مغناطیسی خورشید در این ناحیه و سازوکار شتاب‌گیری ذرات باردار خورشیدی که نهایتا به هیئت «باد خورشیدی» از این ناحیه روانه باقی نقاط منظومه شمسی می‌شوند. بررسی سه عامل فوق، به اهداف اصلی فضاپیمای پارکر شکل می‌دهد، اما این مهم، مستلزم حضور در محدوده‌ای هرچه وسیع‌تر از تاج خورشید و به‌این‌وسیله نقشه‌برداری گسترده از تحولات محیطی آن است.

ازهمین‌رو پارکر در مدار کشیده خود به گرد خورشید (که در دورترین حالت، ۱۰۹ میلیون کیلومتر و در نزدیک‌ترین حالت، تنها هفت میلیون کیلومتر از سطح این ستاره فاصله خواهد داشت) و طی ۲۴ بار گردش خود در این مدار تا سال ۲۰۲۵، قادر است تحولات تاج خورشیدی چه در فواصل مختلف از سطح خورشید و چه در طول هفت سال حضور فعال خود در این ناحیه را از نزدیک رصد کند.

۳- چگونه پارکر از آسیب ناشی از دمای بالای محیط فعالیت خود محفوظ می‌ماند؟
عمده‌ترین شیوه انتقال گرما در تاج خورشید، تابش است، چراکه تراکم گاز‌ها در این ناحیه کفاف نقش‌آفرینی دیگر مکانیسم‌های انتقال گرما (اعم از رسانش و همرفت) را نمی‌دهد. شدت تابش آفتاب در نزدیک‌ترین نقطه مدار پارکر به خورشید، حدود ۴۷۵ برابر شدت تابش آفتاب بر سطح زمین است، اما با طراحی یک عایق مناسب برای فضاپیما که بتواند ادوات علمی آن را همواره از معرض تابش مستقیم خورشید دور بدارد، می‌توان محیطی ایده‌آل را برای فعالیت مطلوب این ادوات فراهم کرد.

عایق پارکر، صفحه‌ای است شش‌ضلعی از جنس کامپوزیت کربن-کربن به قطر ۲.۳ متر و ضخامت ۱۱.۵ سانتی‌متر که می‌تواند دما‌هایی از مرتبه هزارو ۳۷۰ درجه سانتی‌گراد را تحمل کند. این صفحه، همچنین با صفحه‌ای بازتابنده از جنس اکسید آلومینیوم نیز پوشانده شده تا درصد جذب نور آفتاب را به حداقل برساند. با وجود چنین سایه‌بانی که همواره به سمت خورشید نشانه رفته، ادوات علمی فضاپیما، حتی در نزدیک‌ترین فاصله آن تا خورشید نیز، همواره در دمای ثابت ۲۵ درجه سانتی‌گراد (دمای اتاق) عمل خواهند کرد.

از آنجاکه بین زمین و خورشید، هشت دقیقه نوری فاصله است (به این معنا که هشت دقیقه طول می‌کشد تا نور از خورشید به زمین برسد و برعکس)، اجرای فرامین زمینی توسط فضاپیما نیز همواره با تأخیری حدودا هشت‌دقیقه‌ای همراه است. اما در صورت تنظیم ناصحیح سایه‌بان پارکر، تنها چندده‌ثانیه تابش مستقیم نور خورشید کافی است تا ادوات الکترونیکی فضاپیما را از کار بیندازد؛ بنابراین پارکر به یک سیستم موقعیت‌یاب کاملا خودگران مجهز است که به فضاپیما امکان تصحیح جهت‌گیری‌اش را در آن واحد خواهد داد تا جهت سایبان آن همواره رو به خورشید باشد.

۴- مهم‌ترین چالش مهندسی مأموریت پارکر چیست؟
مهم‌تر از تنظیم دمای فضاپیما (حتی در نزدیکی خورشید)، نفس رسیدن به نزدیکی خورشید، چالشی اساسی‌تر پیش پای مقامات تصمیم‌ساز این مأموریت بود. این موضوع در نگاه اول عجیب به‌نظر می‌رسد، چراکه خورشید به‌طور طبیعی یک چاه جاذبه است و سفر به نزدیکی آن قاعدتا نباید تلاشی جز تسلیم‌شدن به نیروی جاذبه‌اش را طلب کند. اما همان‌طور که زمین (و دیگر سیارات و قمرها) به یمن چرخش سریعشان به گرد خورشید، هرگز به نزدیکی خورشید نخواهند رسید، هیچ فضاپیمایی نیز بدون صرف انرژی کافی قادر به هیچ‌گونه ملاقاتی، ولو کوتاه، با خورشید نخواهد بود.

در واقع ارسال یک فضاپیما به بیرون از منظومه شمسی ساده‌تر است تا ارسال فضاپیمایی به نزدیکی خورشید!. برای نمونه، مأموریت‌هایی که عزم مریخ می‌کنند، مقدار قابل‌توجهی از سرعت خود را از سرعت مداری زمین می‌گیرند و نیروی موشک فقط صرف بسط مدار فضاپیما تا نزدیکی مریخ می‌شود، تا به مجرد رسیدن فضاپیما تا نزدیکی این سیاره، با کاهش سرعت آن بتوان در دام جاذبه مریخ افتاد.

اما ارسال کاوشگری تا نزدیکی خورشید، ابتدا مستلزم خنثی‌سازی سرعت مداری زمین و سپس پیشرانش کاوشگر در جهت خلاف حرکت سیاره ماست. هیچ موشکی تاکنون قادر به انجام یک‌تنه این مانور نبوده است و بعید است که در آینده نزدیک نیز باشد. راه‌حل، استفاده از نیروی مداری سایر سیارات است. در ابتدا بنا بر آن بود تا پارکر از نیروی جاذبه مشتری برای ورود به یک مدار قطبی و سپس شیرجه تا نزدیکی خورشید استفاده کند.

اما این راهبرد، با دو محدودیت مواجه بود: اول آنکه در این صورت لازم بود تا به‌جای تأمین مایحتاج برق فضاپیما از طریق پنل‌های خورشیدی (که در فاصله‌ای به دوردستی ِ. مشتری بازده چندانی نخواهند داشت)، این برق را از طریق ژنراتور‌های گرماهسته‌ای تأمین کرد. اما چنین انتخابی هزینه‌های مأموریت را فوق‌العاده بالاتر می‌برد. دوم آنکه طبق آن برنامه، مدت‌زمان مأموریت سخت رو‌به‌افزایش می‌گذاشت؛ چراکه به‌جای ۲۴ بار ملاقات نزدیک با خورشید در طول هفت سال (که در چارچوب برنامه فعلی پارکر عملی خواهد شد)، فقط دو بار این ملاقات رقم می‌خورد؛ آن هم به فاصله پنج سال. تنها مزیت آن برنامه این بود که در صورت استفاده از نیروی جاذبه مشتری برای تغییر مدار فضاپیما، پارکر از فاصله‌ای نزدیک‌تر نسبت به مأموریت فعلی خود از نزدیکی خورشید می‌گذشت و ضمنا امکان مطالعه قطبین خورشید را هم می‌داشت.

اما با تغییر سیاست‌های ناسا در طول دهه اول قرن، مأموریت پارکر نیز در چارچوب برنامه‌ای صرفه‌جویانه‌تر پیاده شد. مطابق این برنامه، پارکر از میدان جاذبه سیاره زهره به‌منظور کاهش تدریجی قطر مدار خود استفاده خواهد کرد؛ به‌طوری‌که در هفت دفعه گذرش از کنار زهره در طول هفت سال آینده، نزدیک‌ترین فاصله آن تا خورشید، از ۲۵ میلیون کیلومتر به تنها حدود شش میلیون کیلومتر کاهش خواهد یافت. انتظار می‌رود در سال ۲۰۲۵ که پارکر از نزدیک‌ترین فاصله مداری خود تا خورشید خواهد گذشت، رکورد سریع‌ترین جسم دست‌ساخت بشر را نیز با سرعتی معادل ۷۰۰ هزار کیلومتر بر ساعت از آن خود کند.

۵- پارکر به چه معناست؟
کاوشگر خورشیدی پارکر که در ابتدا تحت عناوین «کاوشگر خورشیدی» (Solar Probe) و «کاوشگر خورشیدی پلاس» (Solar Probe Plus) خوانده می‌شد، در ماه می ۲۰۱۷ به افتخار «یوجین پارکر»، خورشیدشناس سرشناس آمریکایی، به «کاوشگر خورشیدی پارکر» تغییر نام یافت. این نخستین‌باری است که ناسا یک فضاپیما را به نام یک شخص در قید حیات نام‌گذاری می‌کند.

در سال ۱۹۵۸، یوجین پارکر در مقاله‌ای تاریخی تحت عنوان «دینامیک گاز بین‌سیاره‌ای و میادین مغناطیسی» (که نسخه‌ای از آن به‌همراه کاوشگر پارکر رهسپار خورشید شده است)، پیشاپیش خبر از وجود جریاناتی از ذرات باردار خورشیدی موسوم به باد خورشیدی داد که قادر به فرار از میدان جاذبه خورشید و گستردگی در پهنه منظومه شمسی هستند.

این فرضیه در ابتدا با واکنش سرد و بعضا منفی جامعه اخترشناسی روبه‌رو شد. دو بازبین نشریه Astrophysical Journal در ابتدا با چاپ این مقاله مخالفت کردند، تا آنکه در نهایت مقاله مذکور با مسئولیت سردبیر وقت نشریه و اخترشناس برجسته، «سابرامانیان چاندراشکار»، به طبع رسید. این در حالی است که کمتر از یک سال بعد، نخستین شواهد تجربی مبنی بر وجود پدیده باد خورشیدی توسط فضاپیمای «لونا-۱»، متعلق به اتحاد جماهیر شوروی سابق به دست آمد. در کارت حافظه‌ای که به یادبود مأموریت پارکر روی بدنه این فضاپیما نصب شده است، علاوه بر تصاویری از شخص پارکر و همچنین نسخه‌ای از مقاله ۱۹۵۸ او، اسامی یک میلیون و صد هزار شخص داوطلبی که پیش‌تر در جریان فراخوان ناسا برای ارسال اسامی‌شان به خورشید شرکت کرده بودند نیز ذخیره شده است.