مأموریت خورشیدی «پارکر» در پنج پرسش

بیست و یک مرداد به وقت ساحل شرقی ایالات متحده، کاوشگر ۱.۵ میلیارد دلاری «پارکر»، سوار بر یک فروند موشک دلتا-۴ هِوی، سفر پرماجرایش را به مقصد خورشید آغاز کرد. در این یادداشت، 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، بر خلاف 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 به بعد، به نحوی تصاعدی کاهش می‌یابد. این ارتفاع، که به واپسین ناحیه‌ی نسبتاً متراکم از سمت هسته خورشید مربوط است، اصطلاحاً «سطح» خورشید خوانده می‌شود؛ لایه‌ای موسوم به «فتوسفر» (photosphere) یا «شیدسپهر». شیدسپهر همان لایه‌ای است که ما با نگاه کردن به خورشید می‌بینیم؛ لایه‌ای درخشنده و زردفام که در حدود ۶۹۵ هزار کیلومتر از مرکز خورشید فاصله دارد.

لذا سطح خورشید، بر خلاف سطح سیارات سنگی‌ای همچون زمین و مریخ، «پوسته»‌ای با ضخامت ثابت نیست که بتوان بر آن فرود آمد، بلکه لایه‌ای است به ضخامت تقریباً چهارصد کیلومتر از گاز گداخته. دمای این لایه، چیزی در حدود ۵۷۰۰ درجه سانتیگراد است. اما مقصد سفر پارکر، شیدسپهر خورشید نیست؛ بلکه لایه‌ای‌ست همچنان مرتفع‌تر و رقیق‌تر از آن، که به «تاج خورشید» (solar corona) معروف است.

تاج، همان محدوده روشن و نامنظمی است که به هنگام یک خورشیدگرفتگی کلی در اطراف قرص تیره ماه دیده می‌شود. لذا می‌توان حدس زد که تاج، پراکنده‌ترین و در عین حال وسیع‌ترین لایه خورشید است. در واقع 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، از حتی نسیم سبُکی در نزدیکی یک ساحل نیز نامحسوس‌ترند. مقصد پارکر، نواحی داخلی همین محدوده از خورشید است؛ به طوریکه مدار این فضاپیما، در نهایت آن را تا فاصله ۶ میلیون کیلومتری سطح خورشید نزدیک خواهد کرد؛ فاصله‌ای هفت برابر نزدیک‌تر از هر فضاپیمای سابقی به سطح خورشید.

۲) نزدیک شدنی چنین به خورشید، چه بازدهی 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! در واقع با ارتفاع گرفتن از سطح خورشید، نمودار دما تنها تا ۵۰۰ کیلومتری سطح خورشید راه کاهش را در پیش می‌گیرد (که سردترین ناحیه خورشید با دمای ۴۱۰۰ درجه سانتگیراد است)؛ از آن پس دما رو به افزایش گذارده، در ارتفاع ۲۱۰۰ کیلومتری، روندی شتابان به خود می‌گیرد؛ به‌طوریکه در محدوده‌ای به ضخامت تنها یکصد کیلومتر، دما از ۸۰۰۰ درجه به ۵۰۰ هزار درجه سانتیگراد می‌رسد. این لایه، موسوم به «منطقه گذار» (transition region)، دروازه ورود به تاج خورشید است.

دمای متوسط تاج، از ۱ تا ۲ میلیون درجه سانتیگراد متغیر است؛ اما در داغ‌ترین نواحی آن، این دما بعضاً به ۸ تا ۲۰ میلیون درجه سانتیگراد نیز می‌رسد؛ یعنی حتی داغ‌تر از هسته خورشید! ساز و کار این افزایش دمای لجام‌گسیخته، همچنان در هاله‌ای از ابهام است، اما مسلماً نمی‌تواند به سه عاملْ بی‌ارتباط باشد: نحوه جابجایی انرژی در محدوده تاج؛ ساز و کار و الگوی تحولات میدان مغناطیسی خورشید در این ناحیه؛ و ساز و کار شتاب‌گیری ذرات باردار خورشیدی، که نهایتاً به هیأت «باد خورشیدی» (solar wind) 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 بدین‌وسیله نقشه‌برداری گسترده از تحولات محیطی آن است. از همین‌رو پارکر در مدار کشیده خود به گرد خورشید (که در دورترین حالت، ۱۰۹ میلیون کیلومتر و در نزدیک‌ترین حالت، تنها ۷ 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 نقطه‌ی 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 ساخت.

عایق پارکر، صفحه‌ای‌ست شش‌ضلعی از جنس کامپوزیت کربن-کربن به قطر ۲.۳ متر و ضخامت ۱۱.۵ سانتیمتر، که می‌تواند دماهایی از مرتبه ۱۳۷۰ 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، ۸ دقیقه نوری فاصله است (بدین‌معنا که ۸ دقیقه طول می‌کشد تا نور از خورشید به زمین برسد و بالعکس)، اجرای فرامین زمینی توسط فضاپیما نیز همواره با تأخیری حدوداً ۸ دقیقه‌ای همراه است. اما در صورت تنظیم ناصحیح سایه‌بان پارکر، تنها چندده‌ثانیه تابش مستقیم نور خورشید کافی است تا ادوات الکترونیکی فضاپیما را از کار بیاندازد. لذا پارکر به یک سیستم‌ موقعیت‌یاب کاملاً 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 به نظر می‌رسد، چراکه خورشید به طور طبیعی یک چاه جاذبه است و سفر به نزدیکی آن قاعدتاً نبایستی تلاشی جز تسلیم شدن 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!

به عنوان نمونه، مأموریت‌هایی که عزم مریخ می‌کنند، مقدار قابل توجهی از سرعت خود را از سرعت مداری زمین می‌گیرند، و نیروی موشک تنها 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 یک‌تنه‌ی این مانور نبوده است، و بعید است که در آینده نزدیک نیز باشد. راه حل، 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 اینصورت لازم بود تا به جای 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 رو به افزایش می‌گذاشت، چراکه به جای ۲۴ بار ملاقات نزدیک با خورشید در طول هفت سال (که در چارچوب برنامه فعلی پارکر عملی خواهد شد)، تنها دو بار این ملاقات رقم می‌خورد، آن‌هم 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 ضمناً 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 به منظور کاهش تدریجی قطر مدار خود استفاده خواهد کرد؛ به‌طوریکه طی هفت دفعه گذرش از کنار زهره در طول هفت سال آینده، نزدیک‌ترین فاصله آن تا خورشید، از ۲۵ میلیون کیلومتر به تنها حدود ۶ میلیون کیلومتر کاهش خواهد یافت. (جهت مشاهده انیمیشنی از تحول مدار پارکر در طول هفت سال آینده، نگاه کنید به این لینک.) 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 هفتصدهزار 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 مه ۲۰۱۷ به افتخار یوجین پارکر، خورشیدشناس سرشناس آمریکایی، به «کاوشگر خورشیدی پارکر» تغییر نام یافت. این نخستین باری 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 به همراه 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 بعضاً منفی جامعه اخترشناسی روبرو شد. دو بازبین نشریه Astrophysical Journal در ابتدا با چاپ این مقاله مخالفت کردند، تا آنکه نهایتاً 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 بر روی بدنه این فضاپیما نصب شده است، علاوه بر تصاویری از شخص پارکر و همچنین نسخه‌ای از مقاله ۱۹۵۸ او، اسامی ۱ میلیون و یکصدهزار شخص داوطلبی که پیش‌تر در جریان فراخوان ناسا برای ارسال اسامی‌شان به خورشید شرکت کرده بودند نیز ذخیره شده است.