خورشید خیلی بیشتر از تامین نور و گرما به زمین انجام می دهد. دو مطالعه اخیر با بودجه ناسا نشان می دهد که وقایع در گذشته دور خورشید ممکن است به روش های غیرمنتظره ای بر آب و هوای زمین تأثیر گذاشته باشد، از کمک به تغییرات دمای باستانی گرفته تا گرم نگه داشتن سیاره جوان به اندازه کافی برای آب مایع و احتمالاً حیات.
مطالعه‌ای از مرکز ناسا SHIELD (باد خورشیدی با تبادل بار یون هیدروژن و دینامیک در مقیاس بزرگ)، یکی از مراکز علمی DRIVE (تنوع، تحقق، ادغام، خطرات، آموزش) ناسا، چگونگی حرکت هلیوسفر را در طول زمان در کهکشان راه شیری بررسی می‌کند. هلیوسفر حباب محافظ وسیعی است که توسط خورشید تولید می شود و منظومه شمسی را احاطه کرده است. محققان دریافتند که تغییرات در محیط کهکشانی اطراف این حباب ممکن است بر شرایط زمین تأثیر بگذارد.
یک مطالعه جداگانه به رهبری یک دانشمند ناسا در حال بررسی یک معمای باستانی دیگر است: اینکه چگونه یک خورشید بسیار کم نورتر و جوان می تواند زمین را گرم نگه دارد. یافته‌ها نشان می‌دهد که شراره‌های خورشیدی قدرتمند ممکن است به تولید گازهای گلخانه‌ای قوی در جو اولیه زمین کمک کرده باشند.
سفر خورشید از راه شیری
آب و هوای زمین طی ده ها میلیون سال به طرز چشمگیری تغییر کرده است. در زمان‌های مختلف، عصر یخبندان بزرگ به طور موقت میانگین دمای کره زمین را چندین درجه کاهش داد، در حالی که دوره‌های دیگر نوسان‌های مکرر بین شرایط گرمتر و سردتر را به همراه داشت.
دانشمندان به طور سنتی تغییرات در مدار زمین، سطح گازهای گلخانه ای، پوشش یخ و سایر عوامل سیاره ای را برای درک این تغییرات مطالعه کرده اند. تحقیقات جدید اکنون نشان می دهد که تغییرات در محیط فضایی اطراف خورشید نیز ممکن است نقش مهمی داشته باشد.
منظومه شمسی در یک منطقه حفاظتی ایجاد شده توسط خورشید محصور شده است، تا حدودی مانند روشی که زمین توسط جو احاطه شده است. این منطقه که هلیوسفر نامیده می شود، به عنوان ذرات باردار در باد خورشیدی شکل می گیرد که به طور مداوم از خورشید در هر جهت به بیرون جریان می یابد.
بازسازی مسیر کهکشانی خورشید
کل هلیوسفر به دور مرکز کهکشان راه شیری می چرخد. در طول عمر 4.6 میلیارد سال خورشید، منظومه شمسی از بسیاری از محیط های کهکشانی مختلف عبور کرده است.
در مطالعه ای که در 21 آگوست در بررسی سالانه نجوم و اخترفیزیکمحققان مرکز SHIELD ناسا از شبیه سازی های کامپیوتری برای بازسازی مسیر گذشته هلیوسفر در میان کهکشان استفاده کردند. نتایج آنها نشان می دهد که برخی از مناطقی که منظومه شمسی با آنها مواجه شده است ممکن است تغییرات قابل اندازه گیری در زمین ایجاد کرده باشند.
مراو اوفر، محقق اصلی SHIELD در دانشگاه بوستون، و همکارانش برخورد بین منظومه شمسی و مناطق بسیار سرد پر از گاز و غبار را شبیه سازی کردند. کار آنها نشان می دهد که خورشید در چند میلیون سال گذشته حداقل سه بار از چنین محیط هایی عبور کرده است.
در طول این برخوردها، “ابرهای سرد” عظیم بین ستاره ای ممکن است هلیوسفر را با نیروی کافی برای فشرده کردن آن به شدت فشرده کرده باشند. بر اساس شبیه‌سازی‌ها، هلیوسفر ممکن است گاهی به اندازه‌ای کوچک‌تر از مدار زمین کوچک‌تر شده باشد و به‌طور موقت سیاره ما را خارج از حباب محافظ خورشید رها کند.
زمانی که زمین ممکن است سپر خورشیدی خود را از دست داده باشد
تاریخ های مدل سازی شده تقریباً 2 تا 3 میلیون سال پیش، 6 تا 7 میلیون سال پیش و 13 تا 14 میلیون سال پیش رخ داده اند. همانطور که شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند، اگر هلیوسفر منقبض شود، اتمسفر زمین در این دوره‌ها مستقیماً در معرض یک محیط بین‌ستاره‌ای بسیار متفاوت قرار می‌گیرد.
زمان بندی نیز با شواهد زمین شناسی مطابقت دارد. عناصری که معمولاً با غبار بین ستاره‌ای مرتبط هستند در هسته‌های رسوبی اعماق دریا، برف قطب جنوب و نمونه‌های قمری یافت شده‌اند که با این دوره‌های زمانی مطابقت دارند.
این اپیزودهای فروپاشی هلیوسفر همچنین ممکن است به توضیح برخی الگوهای آب و هوایی باستانی کمک کند.
در شبیه سازی ها، قرار گرفتن جو زمین در معرض ابر متراکم و سرد هیدروژن کهکشانی باعث افزایش بخار آب اتمسفر و تغییر شرایط در جو فوقانی شد. این اثرات در نهایت بر شرایط نزدیک به سطح زمین تأثیر گذاشت.
نتایج این احتمال را افزایش می‌دهد که عبور منظومه شمسی از بخش‌های خنک‌تر کهکشان راه شیری ممکن است به برخی تغییرات آب و هوایی درازمدت روی زمین، از جمله عصر یخبندان، کمک کرده باشد.
ساخت یک دوقلوی دیجیتالی از هلیوسفر
ناسا از SHIELD به عنوان یکی از چندین مرکز طراحی شده برای پیشبرد مطالعات هلیوفیزیک حمایت مالی می کند. به عنوان یک مرکز علمی DRIVE، SHIELD محققانی را با زمینه های مختلف تخصص، روش ها و دیدگاه های علمی گرد هم می آورد.
یکی از اهداف این مرکز ساخت یک مدل دقیق یا “دوقلو دیجیتال” از هلیوسفر است. این مدل می تواند به دانشمندان کمک کند تا درک بهتری از واکنش حباب محافظ خورشید در هنگام برخورد با عناصری مانند ابرهای متراکم بین ستاره ای نشان دهند.
مطالعه تاریخچه و ساختار منظومه شمسی قابل سکونت ما نیز می تواند سرنخ هایی در مورد چگونگی تکامل حیات در زمین ارائه دهد. در آینده، این دانش می‌تواند به محققان کمک کند تا سیستم‌های ستاره‌ای دیگر را که قادر به پشتیبانی از جهان‌های قابل سکونت هستند، شناسایی کنند.
رمز و راز خورشید جوان ضعیف
مطالعه دوم بر روی یک مشکل متفاوت مربوط به تاریخ اولیه خورشید متمرکز شد.
ولادیمیر هایراپتیان، دانشمند مرکز پروازهای فضایی گودارد ناسا در گرین‌بلت، و همکارانش بررسی کردند که چگونه زمین در اوایل زمانی که خورشید جوان انرژی بسیار کمتری نسبت به امروز تولید می‌کند، توانست به اندازه کافی برای آب مایع گرم بماند.
حدود سه میلیارد سال پیش، خورشید تنها 70 درصد به اندازه اکنون روشن بود. بر اساس این کاهش خروجی، زمین از نظر تئوری باید یخ زده باشد.
شواهد زمین شناسی داستان متفاوتی را بیان می کند. آب مایع پایدار خیلی قبل از آن روی زمین وجود داشت. تضاد بین یک زمین نسبتاً گرم اولیه و یک خورشید سردتر و تاریک تر به عنوان پارادوکس کم نور خورشید جوان شناخته می شود.
یک خورشید جوان پرجنب‌وجوش ممکن است پاسخگو باشد
دانشمندان ممکن است با بررسی ستارگان جوان در جاهای دیگر کهکشان راه شیری که شبیه خورشید اولیه هستند، سرنخ هایی پیدا کنند.
این ستاره های “نوزاد” بسیار فعال تر از ستاره های بالغ هستند. مشاهدات تلسکوپ فضایی کپلر ناسا نشان می‌دهد که ستارگان جوان مشابه خورشید می‌توانند روزانه ابر انفجارهای عظیمی ایجاد کنند و ذرات پرانرژی را در فضا به بیرون پرتاب کنند.
اگر خورشید جوان رفتار مشابهی داشت، آیراپتیان پیشنهاد می کند که این ذرات پرانرژی می توانستند واکنش های شیمیایی را در جو زمین ایجاد کنند که به گرم شدن سیاره کمک کرد.
برای آزمایش این ایده، تیم Airapetian شرایطی را که تصور می‌شود شبیه جو زمین اولیه است در یک اتاقک مهر و موم شده بازسازی کردند. محققان نیتروژن مولکولی، آمونیاک، دی اکسید کربن و مونوکسید کربن را ترکیب کردند.
آنها سپس مخلوط گاز را با پروتون بمباران کردند تا جریان ذرات پرانرژی تولید شده توسط سوپرشعله های خورشیدی را تقلید کنند.
ابر احتراق می توانست یک گاز گلخانه ای قدرتمند ایجاد کند
بمباران ذرات شبیه سازی شده منجر به چندین تغییر شیمیایی از جمله تشکیل اکسید نیتریک شد. اکسید نیتروژن یک گاز گلخانه ای است که تقریباً 300 برابر قوی تر از دی اکسید کربن است. این مطالعه در منتشر شد نامه های مجله اخترفیزیک.
این اکسید نیتروژن ممکن است به زمین اولیه در حفظ گرما کمک کرده باشد.
با این حال، تمام گاز در جو باقی نمی ماند. تابش شدید فرابنفش خورشید جوان، برخی از مولکول‌های اکسید نیتروژن را تجزیه کرده و دوباره به نیتروژن و اکسیژن تقسیم می‌کند.
با این حال، محققان دریافتند که ممکن است اکسید نیتروژن نسبتا کمی مورد نیاز بوده باشد.
شبیه سازی های کامپیوتری نشان داد که اگر تنها 10 درصد از اکسید نیتروژن تولید شده در آزمایش آزمایشگاهی زنده بماند، می تواند دما را در نزدیکی خط استوای زمین تا حدود 41 درجه فارنهایت (5 درجه سانتیگراد) افزایش دهد. این باعث می‌شود دما بالاتر از نقطه انجماد آب باشد.
شرایطی که ممکن است به نفع زندگی اولیه باشد
زمین سردتر اما منجمد نشده ممکن است مزیت دیگری داشته باشد.
مقدار کمتری از اکسید نیتریک که زنده مانده بود ممکن است از واکنش های شیمیایی پری بیوتیک پشتیبانی کند. تحقیقات نشان داده است که دمای کمی بالاتر از نقطه انجماد می تواند موثرتر از شرایط گرمتر برای مونتاژ زنجیره های پیچیده اسیدهای آمینه باشد.
این بدان معناست که فعالیت خشونت آمیز خورشید جوان ممکن است بیش از جلوگیری از یخ زدن زمین انجام داده باشد. همچنین ممکن است به ایجاد شرایط محیطی مطلوب برای شیمی قبل از زندگی کمک کرده باشد.
چگونه خورشید به شکل گیری زمین کمک کرد
این دو مطالعه با هم نشان می‌دهند که تاریخ زمین تا چه حد عمیق با خورشید گره خورده است.
حرکت منظومه شمسی در کهکشان راه شیری ممکن است زمین را در معرض تغییر محیط بین ستاره ای قرار دهد که می تواند بر آب و هوای آن تأثیر بگذارد. میلیاردها سال قبل، فعالیت شدید خورشید جوان ممکن است به گرم شدن سیاره کمک کرده باشد، در حالی که نور خورشید به تنهایی کافی نبود.
زمین از بسیاری جهات غیر معمول است، اما هرگز به صورت مجزا وجود نداشته است. این سیاره در یک سیستم ستاره-سیاره بزرگتر شکل گرفت و در طول تاریخ خود ارتباط نزدیکی با تغییر رفتار و محیط خورشید داشت.
درک این رابطه می تواند سرنخ های جدیدی را در مورد آب و هوای زمین، تکامل حیات و شرایطی که ممکن است دیگر منظومه های سیاره ای را قابل سکونت کند، آشکار کند.
