میدان‌های مغناطیسی؛ معماران پنهان کهکشان‌ها

علیرضا بیات، کارشناس نجوم درباره میدان‌های مغناطیسی به خبرنگار ایسنا اظهار کرد: میدان مغناطیسی یکی از چهار نیروی بنیادین کیهان است که در کنار گرانش، نیروی هسته‌ای قوی و نیروی هسته‌ای ضعیف، نقشی کلیدی در شکل‌گیری و پویایی جهان ایفا کرده است. 

وی افزود: تأثیرات این نیرو، از ابتدایی‌ترین مراحل شکل‌گیری کیهان تا کاربردهای روزمره آن در زندگی انسان، بسیار گسترده و حیاتی بوده است. برای مثال، نقش میدان مغناطیسی در زندگی روزمره ما غیرقابل‌انکار است. این میدان در تولید برق در نیروگاه‌های برق‌آبی، تشخیص بیماری‌ها و حتی در گذشته به‌عنوان ابزار جهت‌یابی از طریق قطب‌نما استفاده می‌شده است. 

این کارشناس نجوم ادامه داد: دریانوردان و مسافران در مناطق دورافتاده با کمک قطب‌نما که بر اساس میدان مغناطیسی زمین عمل می‌کند، مسیر خود را پیدا می‌کردند. این کاربردها نشان‌دهنده اهمیت بنیادین میدان مغناطیسی در زندگی انسان است.

بیات بیان کرد: از سوی دیگر، میدان مغناطیسی زمین به‌عنوان یک سپر محافظتی طبیعی عمل می‌کند. این سپر، که به نام مغناطیس‌سپهر (مگنتوسفر) شناخته می‌شود، لایه‌ای است که کره زمین را احاطه کرده و از آن در برابر ذرات باردار خورشیدی محافظت می‌کند. این ذرات که به‌طور مداوم از خورشید منتشر می‌شوند، در اثر میدان مغناطیسی به دام می‌افتند و از آسیب به موجودات زنده جلوگیری می‌کنند.

وی گفت: خورشید، ستاره‌ای که حدود پنج میلیارد سال پیش در ابری از گاز و غبار متولد شد، نمونه‌ای از تأثیر میدان‌های مغناطیسی در کیهان است. دانشمندان معتقدند که میدان‌های مغناطیسی ممکن است نقش مهمی در فرایند تولد ستاره‌ها ایفا کرده باشند. بااین‌حال، این فرایند هنوز به‌طور کامل رمزگشایی نشده و پژوهشگران به دنبال درک عمیق‌تری از آن هستند. 

کارشناس نجوم افزود: در ژاپن، محققان رصدخانه ملی اخترشناسی با استفاده از تلسکوپ الما منطقه‌ای ستاره‌زا به نام IRAS 18089-1732 را در فاصله ۷۶۰۰ سال نوری از زمین شناسایی کرده‌اند. در این منطقه، یک میدان مغناطیسی منسجم و مارپیچ‌گونه کشف شده که نشان می‌دهد این میدان تحت تأثیر جاذبه قرار دارد و در پایداری ستاره‌ها نقش دارد، همچنین در سیاه‌چاله‌ها، میدان‌های مغناطیسی تأثیراتی متفاوت دارند. 

بیات اضافه کرد: اخترشناسان شش سال پیش برای نخستین بار میدان مغناطیسی اطراف یک سیاه‌چاله غول‌پیکر فعال را کشف کردند. این سیاه‌چاله در مرکز صورت فلکی ماکیان A و در فاصله ۶۰۰ میلیون سال نوری از زمین قرار دارد. میدان مغناطیسی اطراف این سیاه‌چاله، موادی را که به سمت آن جذب می‌شوند، به دام می‌اندازد. این یافته نشان می‌دهد که میدان‌های مغناطیسی در سیاه‌چاله‌ها قدرت و ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارند.

وی ادامه داد: برای مطالعه میدان‌های مغناطیسی، از تلسکوپ‌های رادیویی استفاده می‌شود. این ابزارها طول موج‌های بلندتر و نامرئی را که از محدوده نور مرئی و فروسرخ فراتر رفته‌اند، بررسی می‌کنند. بزرگ‌ترین تلسکوپ رادیویی جهان، “فست” نام دارد و در چین با قطر ۵۰۰ متر مستقر است. این تلسکوپ به بررسی نقاط مختلف کیهان و کشف داده‌های جدید کمک می‌کند.

بیات اظهار کرد: چهار سال پیش، بقایای یک ابرنواختر در فاصله ۱۶۸ هزار سال نوری از زمین مورد مطالعه قرار گرفت. اخترشناسان در این منطقه میدان مغناطیسی منحصربه‌فردی را کشف کردند که پس از انفجار این ستاره غول‌پیکر و شکل‌گیری ابرنواختر به وجود آمده بود. این میدان مغناطیسی، هرچند ضعیف‌تر از یک آهنربای یخچال بود، الگویی منظم از خطوط میدان را نشان می‌داد که به‌صورت چرخ‌دنده‌ای حول بقایای این انفجار انتشار می‌یافت.

وی افزود: میدان مغناطیسی نه‌تنها در شکل‌گیری و تکامل ستاره‌ها و سیاه‌چاله‌ها، بلکه در گسترش کهکشان‌ها و نظم کیهان نقشی بی‌بدیل دارد. این نیرو همچنان موضوع تحقیق و رمزگشایی اخترشناسان در سراسر جهان است و ابزارهای پیشرفته‌ای چون تلسکوپ‌های رادیویی به کشف اسرار آن کمک می‌کنند.

عرفان تمنده، کارشناس فیزیک نیز در این باره به خبرنگار ایسنا گفت: میدان‌های مغناطیسی ستاره‌ها به‌واسطه فرایندهای دینامیکی درون ستاره‌ای شکل می‌گیرند. منبع اصلی این میدان‌ها، گردش پلاسمای داغ و بسیار یونیزه در داخل ستاره است که به‌واسطه اثر دینامو، باعث ایجاد جریان‌های الکتریکی قوی می‌شود. 

وی افزود: این جریان‌ها به نوبه خود، میدان‌های مغناطیسی شدیدی را ایجاد می‌کنند. در ستارگانی همچون خورشید، لایه‌های بیرونی به‌صورت پلاسمای همرفت هستند و حرکت این لایه‌ها در سرعت‌های مختلف موجب می‌شود که میدان مغناطیسی به‌صورت پیچیده‌ای شکل گیرد. این پیچیدگی‌ها و تغییرات میدان مغناطیسی، با گذشت زمان و در چرخه‌های فعالیت ستاره، موجب ظهور پدیده‌هایی همچون لکه‌های خورشیدی و فوران‌های خورشیدی می‌شود.

این کارشناس فیزیک ادامه داد: در واقع، منبع اصلی میدان‌های مغناطیسی ستاره‌ها، ترکیبی از حرکت‌های دینامیکی درونی و اثر دینامو است که موجب پویایی و پیچیدگی این میدان‌ها می‌شود. به همین دلیل، میدان‌های مغناطیسی ستارگان به‌شدت تحت تأثیر چرخش ساختار داخلی و ویژگی‌های دیگر خود قرار دارند، اما آیا در سطح کهکشانی، میدان‌های مغناطیسی مشابهی وجود دارند در حالی که بسیاری از ویژگی‌ها و اصول اصلی میدان‌های مغناطیسی در کهکشان‌ها مشابه یکدیگرند، جزئیات و رفتار این میدان‌ها در هر کهکشان می‌تواند تفاوت‌های قابل‌توجهی داشته باشد. عواملی چون نوع کهکشان، ساختار داخلی، سرعت چرخش و توزیع ماده‌های میان‌ستاره‌ای بر شدت و شکل میدان مغناطیسی تأثیر می‌گذارند. با این‌حال، شباهت‌هایی بین میدان‌های مغناطیسی در کهکشان‌های مشابه وجود دارد، به‌ویژه در کهکشان‌های مارپیچی، که میدان‌های مغناطیسی در آن‌ها ارتباط مستقیمی با ساختار مارپیچی کهکشان دارند.

تمنده ادامه داد: برای اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسی در ستارگان که فاصله‌های آن‌ها میلیون‌ها سال نوری از ماست، روش‌های مختلفی وجود دارد. یکی از مهم‌ترین این روش‌ها، اثر زیمن است که از آن برای جداکردن سطوح انرژی یک طیف نوری استفاده می‌شود. این شکافتگی ناشی از تعامل میدان مغناطیسی با تکانه زاویه‌ای الکترون‌هاست. از آنجا که طیف نور حاصل از یک ستاره در حالت عادی ممکن است چند سطح انرژی مختلف داشته باشد، میدان مغناطیسی آن را تغییر داده و فاصله بین این سطوح انرژی را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

وی اضافه کرد: برای اندازه‌گیری شدت میدان مغناطیسی یک ستاره، از طریق اسپکتروسکوپی، طیف نوری آن ستاره بررسی می‌شود. اثر زیمن در این فرآیند موجب شکافتن طیف و جداسازی سطوح انرژی از هم می‌شود. فاصله شکاف‌های ایجاد شده در طیف به شدت میدان مغناطیسی مرتبط است. علاوه بر این، قطبش یا پولاریزاسیون نور هم می‌تواند اطلاعاتی در مورد جهت و شدت میدان مغناطیسی به ما بدهد.

تمنده گفت: با این حال، اثر زیمن تنها برای میدان‌های مغناطیسی قوی یا متوسط کاربرد دارد و در میدان‌های ضعیف‌تر ممکن است اندازه‌گیری‌ها دقیق نباشند. در چنین مواردی، استفاده از روش‌های دیگر ضروری است.

وی اظهار کرد: میدان‌های مغناطیسی میان‌ستاره‌ای می‌توانند بر حرکت و چرخش کهکشان‌ها تاثیر بگذارند. با این‌که تأثیر میدان‌های مغناطیسی بر حرکت کلی کهکشان‌ها به اندازه اثرات گرانشی و حرکت زاویه‌ای کمتر است، این میدان‌ها می‌توانند در جهت‌دهی به حرکت گازها و ساختارهای کهکشان‌ها نقش داشته باشند. به‌ویژه در کهکشان‌های مارپیچی، میدان‌های مغناطیسی می‌توانند در تثبیت بازده‌های مارپیچی و حتی در تشکیل ستارگان تاثیرگذار باشند، اما همچنان تأثیر اصلی در حرکت کهکشان‌ها به گرانش و حرکت‌های زاویه‌ای برمی‌گردد. سایر پارامترها، از جمله میدان مغناطیسی، تاثیر کمتری دارند، گرچه نمی‌توان منکر تأثیر آن‌ها در تنظیم حرکت گازها و شکل‌گیری ساختارهای کهکشانی شد.