Solar filament migration across activity cycles: The emergence of a late-cycle high-latitude population

إن الشمس ليست مجرد كرة ثابتة من النار؛ بل هي محرك مغناطيسي هائج يمر بفترات منتظمة من النشاط المكثف تليها أوقات أكثر هدوءاً. هذا الإيقاع، المعروف بالدورة الشمسية، يستمر لحوالي أحد عشر عاماً. وخلال ذروة هذه الدورة، يصبح سطح الشمس مزدحماً ببقع داكنة تسمى البقع الشمسية، وهي مناطق ذات مجالات مغناطيسية شديدة. ولا تظهر هذه البقع بشكل عشوائي، بل تتبع نمطاً يمكن التنبؤ به؛ إذ تظهر أولاً عند خطوط العرض المتوسطة، على بُعد ثلاثين درجة تقريباً شمال وجنوب خط الاستواء، ثم تنزح ببطء نحو خط الاستواء مع تقدم الدورة. ويخلق هذا الهجرة شكلاً على الرسم البياني يشبه أجنحة الفراشة، وهو نمط ميزه علماء الفلك لأكثر من قرن.

ومع ذلك، فإن القصة المغناطيسية للشمس أكثر تعقيداً من مجرد البقع الشمسية. ففي الغلاف الجوي العلوي للشمس، تسبح سحب غازية شاسعة وباردة تسمى الخيوط (filaments). وعند رؤيتها مقابل قرص الشمس الساطع، تبدو كخيوط داكنة ومتعرجة. ومثل البقع الشمسية، تُثبتها المجالات المغناطيدية في مكانها، لكنها يمكن أن تتشكل عبر نطاق أوسع بكثير من خطوط العرض، لتصل إلى القطبين تماماً. ولأنها تتبع البنية المغناطيسية واسعة النطاق للشمس، فإن الخيوط تقدم رؤية مختلفة وأشمل للدورة الشمسية مقارنة بالبقع الشمسية وحدها. وقد عرف العلماء منذ زمن طويل أنه بينما تنزح الخيوط ذات خطوط العرض المنخفضة نحو خط الاستواء، فإن الخيوط ذات خطوط العرض العالية يمكن أن تنزح نحو القطبين. ولكن ظل هناك سؤال عالق: ماذا يحدث للتوزيع العام لهذه الخيوط عند انتهاء دورة شمسية واحدة وبدء التالية؟ هل ينعكس اتجاه جميع مجموعات الخيوط فجأة، أم أن هناك شيئاً آخر يحدث؟

تستقصي دراسة حديثة أجراها "يوني تاكالو" هذا السؤال من خلال النظر في قرن من الملاحظات، تغطي الدورات الشمسية من الخامسة عشرة إلى الرابعة والعشرين، من عام 1909 إلى عام 2022. استخدم الباحث سجلاً موحداً ضخماً لمساحات الخيوط تم تجميعه من خمسة عشر أرشيفاً تاريخياً وحديثاً. وبدلاً من تتبع خيوط فردية، قامت الدراسة بقياس إجمالي مادة الخيوط الموجودة عند كل درجة من خطوط العرض بمرور الوقت. ولجعل الدورات قابلة للمقارنة، تم تعديل البيانات بحيث يتم تمديد أو ضغط كل فترة أحد عشر عاماً لتناسب جدولاً زمنياً معيارياً، مما سمح للأنماط التي تتكرر في كل دورة بالبروز بوضوح مقابل الضجيج الخلفي للدورات التي تكون أطول أو أقصر قليلاً.

أكد التحليل السلوك المتوقع للمجموعة الرئيسية من الخيوط: وهي أن الخيوط ذات خطوط العرض المنخفضة والمتوسطة تنزح بثبات نحو خط الاستواء مع نضوج الدورة. ولكن مع اقتراب الدورة من نهايتها، بدأ متوسط خط عرض جميع الخيوط في الارتفاع مرة أخرى. وللوهلة الأولى، قد يوحي هذا بأن المجموعة الرئيسية من الخيوط قد انعكس اتجاهها فجأة وبدأت في العودة نحو القطبين. ومع ذلك، استبعدت الدراسة صراحة هذه الفكرة؛ فمن خلال فصل البيانات إلى مجموعات ذات خطوط عرض منخفضة وأخرى عالية، وجد الباحث أن الخيوط ذات خطوط العرض المنخفضة لم تغير مسارها أبداً، بل استمرت في انزياحها الثابت نحو خط الاستواء حتى نهاية الدورة.

لقد كان الارتفاع في متوسط خط العرض ناتجاً عن وصول مجموعة مختلفة تماماً من الخيوط: وهي مجموعة من الخيوط تظهر عند خطوط العرض العالية، بالقرب من القطبين. وتنمو هذه المجموعة ذات خطوط العرض العالية بشكل ملحوظ خلال المراحل النهائية من الدورة الشمسية، تماماً في الوقت الذي ينحسر فيه نشاط خطوط العرض المنخفضة. ولأن هذه الخيوث الجديدة ذات خطوط العرض العالية تتواجد في نفس الوقت مع الخيوط القديمة ذات خطوط العرض المنخفضة، فإنها تسحب الموقع المتوسط لجميع الخيوط إلى الأعلى، مما يخلق وهماً بانعكاس الاتجاه. وتظهر الدراسة أن هذا ليس تغييراً في اتجاه المجموعة الرئيسية، بل هو اختلاط بين مجموعتين متميزتين: البقايا المتلاشية للدورة القديمة والهياكل الناشئة للدورة الجديدة.

ولفهم توقيت هذا الانتقال، قارنت الدراسة ظهور الخيوط ذات خطوط العرض العالية مع العلامات الأولى لدورة البقع الشمسية التالية. بحث الباحثون عن أول البقع الشمسية للدورة الجديدة وقارنوا وقت وصولها بوقت ارتفاع الخيوط ذات خطوط العرض العالية. وأظهرت النتائج تسلسلاً واضحاً؛ ففي ثماني حالات من أصل تسع انتقالات دورية، ظهرت الخيوط ذات خطوط العرض العالية قبل ظهور أول البقع الشمسية للدورة الجديدة. وعندما بحث الباحثون عن نمط أكثر استقراراً واستمرارية للبقع الشمسية بدلاً من مجرد المجموعة المعزولة الأولى، كان التأخير أكثر وضوحاً؛ إذ تظهر الخيوط ذات خطوط العرض العالية باستمرار قبل حوالي عامين من ترسيخ نشاط البقع الشمسية الجديد.

يشير هذا التوقيت إلى أن الخيوط ذات خطوط العرض العالية هي علامة على بدء إعادة تنظيم المجال المغناطيسي للشمس استعداداً للدورة التالية، وذلك قبل وقت طويل من رؤية البقع الشمسية للدورة الجديدة. وتعمل هذه الخيوط كمؤشر مبكر، حيث تتبع التغيرات المغناطيسية التي تحدث خلال فترة التداخل بين دورتين شمسيتين. وبينما لا تثبت الدراسة أن هذه الخيوط ذات خطوط العرض العالية تنتمي مغناطيسياً إلى الدورة الجديدة، فإن ظهورها المنهجي قبل البقع الشمسية الجديدة يشير إلى أنها جزء من عملية الانتقال. وتعزز هذه النتائج فكرة أن الدورات الشمسية ليست كتلًا زمنية معزولة مدتها أحد عشر عاماً، بل هي مراحل متداخلة حيث تتعايش الهياكل المغناطيسية للماضي والمستقبل على سطح الشمس. ومن خلال مراقبة هذه الخيوط ذات خطوط العرض العالية، يمكن للعلماء رؤية الشمس وهي تستعد لمرحلتها التالية من النشاط قبل سنوات من بدئها.