Solar differential rotation driven by baroclinic forcing

द ग्रेट सोलर स्पिन मिस्ट्री (महान सौर घूर्णन रहस्य)

कल्पना कीजिए कि सूर्य एक स्थिर, चमकते हुए आग के गोले के रूप में नहीं, बल्कि अत्यधिक गर्म गैस के एक विशाल, उबलते हुए बर्तन के रूप में है। यदि आप इस बर्तन में भूमध्य रेखा (equator) पर एक चम्मच डुबोएं और ध्रुवों (poles) पर दूसरा, तो आपको कुछ अजीब पता चलेगा: भूमध्य रेखा पर गैस ध्रुवों की तुलना में बहुत अधिक तेजी से घूमती है। इस घटना को डिफरेंशियल रोटेशन (विभेदक घूर्णन) कहा जाता है। यह एक ऐसी फिगर स्केटर की तरह है जो एक पैर पर खड़े होकर बहुत तेजी से घूमती है, लेकिन उसकी भुजाएं (ध्रुव) शायद ही हिलती हैं।

द दशकों से, वैज्ञानिक यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि सूर्य इस तरह क्यों घूमता है। प्रमुख सिद्धांत यह था कि सूर्य हिंसक, अशांत तूफानों से भरा हुआ है—जैसे प्लाज्मा का एक विशाल, उबलता हुआ महासागर। माना जाता था कि ये तूफान, जो कोर से उठती गर्मी से संचालित होते हैं, एक विशाल मिक्सर की तरह काम करते हैं, जो गैस को हिलाते हैं और भूमध्य रेखा तथा ध्रुवों के बीच गति का अंतर पैदा करते हैं। इस विचार को "कन्वेक्टिव" (संवहनी) स्पष्टीकरण के रूप में जाना जाता है।

हालाँकि, एक समस्या पनप रही है। सूर्य के आंतरिक भाग के हालिया अवलोकन (हेलियोसेस्मोलॉजी नामक तकनीक का उपयोग करके, जो सूर्य के भीतर देखने के लिए ध्वनि तरंगों का उपयोग करने जैसा है) बताते हैं कि "उबलना" उतना हिंसक नहीं है जितना कि पुराने सिद्धांत ने भविष्यवाणी की थी। तूफान उम्मीद से कहीं अधिक कमजोर लग रहे हैं। इस बेमेल स्थिति को "कन्वेक्टिव कन्ड्रम" (संवहनी पहेली) कहा जाता है। यदि तूफान बर्तन को हिलाने के लिए पर्याप्त मजबूत नहीं हैं, तो फिर सूर्य को क्या घुमा रहा है? क्या कोई अलग बल काम कर रहा है, शायद कुछ ऐसा जो केवल मंथन गति के बजाय सूर्य की सतह पर तापमान के अंतर से संबंधित है? यही वह बड़ा सवाल है जिसका उत्तर देने के लिए एक नया अध्ययनaim करता है।

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द सन'स सीक्रेट थर्मोस्टेट (सूर्य का गुप्त थर्मोस्टेट)

वैज्ञानिकों की एक टीम ने हाल ही में इस रहस्य को सुलझाने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन की एक श्रृंखला चलाई। सूर्य के हिंसक तूफानों को मॉडल करने के बजाय, उन्होंने एक अलग सवाल पूछा: क्या होगा यदि सूर्य का घूमना गर्म गैस के मंथन से नहीं, बल्कि एक विशाल, अदृश्य "थर्मोस्टेट" सेटिंग से संचालित होता है जो ध्रुवों से भूमध्य रेखा तक भिन्न होता है?

अपने कंप्यूटर मॉडल में, शोधकर्ताओं ने सूर्य की बाहरी परत, यानी 'कन्वेक्शन ज़ोन' का प्रतिनिधित्व करने वाला एक आभासी शेल बनाया। उन्होंने गैस को बेतहाशा उबलने नहीं दिया। इसके बजाय, उन्होंने एक विशिष्ट नियम लागू किया: उन्होंने एक बैकग्राउंड तापमान अंतर स्थापित किया, जिससे भूमध्य रेखा पर गैस ध्रुवों की तुलना में थोड़ी "हल्की" (एन्ट्रॉपी के संदर्भ में) हो गई। इसे पृथ्वी पर एक विशाल, वैश्विक पवन प्रणाली की तरह समझें, जहाँ सूर्य ध्रुवों की तुलना में भूमध्य रेखा को अधिक गर्म करता है, जिससे हवाएं चलती हैं। इस सौर संस्करण में, तापमान का अंतर स्वयं इंजन के रूप में कार्य करता है।

परिणाम आश्चर्यजनक थे। बिना उन हिंसक, अशांत तूफानों के जिन पर पिछले सिद्धांत निर्भर थे, कंप्यूटर सिमुलेशन ने दिखाया कि सूर्य अभी भी एक आदर्श सौर-समान घूर्णन विकसित कर सकता है। भूमध्य रेखा की गैस तेज हो गई, और ध्रुव धीमे रहे, जिससे ठीक वही पैटर्न बना जो वास्तविक अवलोकनों में देखा जाता है। मुख्य बात गैस के दबाव, गुरुत्वाकर्षण के खिंचाव और सूर्य के घूर्णन के बीच का संतुलन था, जो उस तापमान अंतर के कारण एक साथ मिलकर काम कर रहे थे।

अध्ययन ने यह देखने के लिए तीन अलग-अलग परिदृश्यों का परीक्षण किया कि यह विचार कितना मजबूत है। पहले, उन्होंने एक "कमजोर रूप से संवहनी" (weakly convective) सूर्य का अनुकरण किया, जहाँ गैस लगभग स्थिर है और अधिक उबल नहीं रही है। दूसरे, उन्होंने एक "न्यूट्रल" मामला आज़माया जहाँ गैस पूरी तरह संतुलित है। तीसरे, उन्होंने तीव्र उबलते हुए "मजबूत संवहनी" मामले का परीक्षण किया।

यहाँ एक मोड़ है: "मजबूत संवर्ती" मॉडल वास्तविक सूर्य के घूर्णन को दोहराने में विफल रहे। जब गैस बहुत ज़ोर से उबली, तो घूर्णन का पैटर्न अव्यवस्थित हो गया और वास्तविकता से मेल नहीं खाया। हालाँकि, "कमजोर रूप से संवर्ती" और "स्थिर" मॉडल बहुत खूबसूरती से काम कर गए। उन्होंने एक तेज़ भूमध्य रेखा और धीमी ध्रुव उत्पन्न की, जिसमें मध्य अक्षांशों में घूर्णन रेखाएं सीधी ऊपर और नीचे की ओर चलती हैं, बिल्कुल वास्तविक सूर्य की तरह।

यह सुझाव देता है कि सूर्य का आंतरिक भाग हमारी सोच से कहीं अधिक शांत और स्थिर हो सकता है। "उबलने" वाले तूफान मुख्य चालक होने के लिए बहुत कमजोर हो सकते हैं। इसके बजाय, सूर्य का विभेदक घूर्णन गर्मी और घूर्णन के एक बड़े पैमाने के, वैश्विक संतुलन का परिणाम हो सकता है, जहाँ तापमान प्रवणता (gradient) एक अराजक मिक्सर के बजाय एक कोमल, स्थिर हाथ की तरह घूर्णन का मार्गदर्शन करती है।

शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि गैस ऊपर और नीचे (मेरिडियोनल फ्लो) कैसे चलती है। उन्होंने पाया कि सफल मॉडलों में, गैस धीमी, कोमल लूपों में चलती थी जो घूर्णन को बनाए रखने में मदद करती थी। जिन मॉडलों में गैस बहुत ज़ोर से उबली, उनमें ये लूप गायब हो गए या अराजक हो गए, और घूर्णन पैटर्न टूट गया। यह इस विचार को पुख्ता करता है कि यदि सूर्य में एक "उबलने" वाली परत है, तो उसे बहुत कमजोर होना चाहिए, अन्यथा वह नाजुक घूर्णन पैटर्न को बिगाड़ देगी।

तो, हमारे सूर्य की समझ के लिए इसका क्या अर्थ है? यह सुझाव देता है कि "कन्वेक्टिव कन्ड्रम"—कि क्यों सूर्य के तूफान उसके घूर्णन की व्याख्या करने के लिए बहुत कमजोर प्रतीत होते हैं—शायद कोई समस्या नहीं है। शायद तूफान मुख्य चालक होने के लिए नहीं बने हैं। इसके बजाय, सूर्य का घूर्णन उसकी वैश्विक तापमान संरचना का एक स्वाभाविक परिणाम हो सकता है, एक प्रकार का "थर्मल विंड" संतुलन जो भूमध्य रेखा को तेज़ और ध्रुवों को धीमा रखता है, यहाँ तक कि एक हिंसक तूफानी आंतरिक भाग के बिना भी।

अध्ययन यह दावा नहीं करता कि उसने सब कुछ हल कर लिया है। वैज्ञानिक अभी भी ठीक से पता लगा रहे हैं कि वह तापमान अंतर सबसे पहले कैसे स्थापित होता है। क्या यह सूर्य की सतह के एक विशिष्ट तरीके से ठंडा होने के कारण है? या यह इस बात का परिणाम है कि गर्मी सूर्य की परतों के माध्यम से कैसे चलती है? लेकिन उनके सिमुलेशन दिखाते हैं कि यह "बैरोक्लिनिक" तंत्र (जहाँ तापमान अंतर गति को संचालित करता है) एक बहुत ही संभावित, और शायद आवश्यक भी, स्पष्टीकरण है।

संक्षेप में, सूर्य एक अराजक, उबलते हुए कड़ाही के बजाय एक सूक्ष्म, वैश्विक तापमान प्रवणता द्वारा संचालित एक बारीकी से ट्यून की गई, घूमती हुई मशीन हो सकता है। यह नया दृष्टिकोण हमारे तारे को देखने का एक ताज़ा तरीका प्रदान करता है, जो बताता है कि कभी-कभी, सबसे शांत बल ही सबसे बड़ी गतिविधियों को आकार देते हैं।