صدمة القوس

في الفيزياء الفلكية ، تُعرف الصدمات القوسية بأنها موجات صدمية تحدث في مناطق تتغير فيها ظروف الكثافة والضغط بشكل كبير نتيجةً لرياح النجوم . ^{[ 1 ]} تحدث الصدمة القوسية عندما يتفاعل الغلاف المغناطيسي لجسم فلكي مع البلازما المحيطة المتدفقة القريبة ، مثل الرياح الشمسية . بالنسبة للأرض والكواكب الممغنطة الأخرى، تُمثل هذه الصدمة الحد الذي تنخفض عنده سرعة رياح النجوم فجأةً نتيجةً لاقترابها من الغلاف المغناطيسي . أما بالنسبة للنجوم، فيُمثل هذا الحد عادةً حافة الغلاف النجمي ، حيث تلتقي رياح النجوم بالوسط بين النجوم . ^{[ 1 ]}

المعيار الأساسي لموجة الصدمة هو انخفاض سرعة البلازما الكلية من " فوق صوتية " إلى "دون صوتية"، حيث تُعرَّف سرعة الصوت c _{s بواسطة}${\displaystyle c_{s}^{2}=\gamma p/\rho }$ أين${\displaystyle \gamma }$هي نسبة الحرارة النوعية ،${\displaystyle p}$هو الضغط ، و${\displaystyle \rho }$هي كثافة البلازما.

من التعقيدات الشائعة في الفيزياء الفلكية وجود المجال المغناطيسي. فعلى سبيل المثال، تتبع الجسيمات المشحونة المكونة للرياح الشمسية مسارات حلزونية على طول خطوط المجال المغناطيسي. ويمكن التعامل مع سرعة كل جسيم أثناء دورانه حول خط المجال بشكل مشابه للسرعة الحرارية في غاز عادي، حيث تساوي السرعة الحرارية المتوسطة في الغاز العادي تقريبًا سرعة الصوت. عند الصدمة الأمامية، تنخفض السرعة الأمامية الكلية للرياح (وهي مركبة السرعة الموازية لخطوط المجال التي تدور حولها الجسيمات) إلى ما دون سرعة دوران الجسيمات.

أفضل مثال مدروس لظاهرة الصدمة القوسية هو تلك التي تحدث عند اصطدام الرياح الشمسية بالغلاف المغناطيسي للأرض ، مع العلم أن الصدمات القوسية تحدث حول جميع الكواكب، سواءً غير الممغنطة، مثل المريخ ^{[ 2 ]} والزهرة ^{[ 3 ]} أو الممغنطة، مثل المشتري ^{[ 4 ]} أو زحل . ^{[ 5 ]} يبلغ سمك الصدمة القوسية للأرض حوالي 17 كيلومترًا (11 ميلًا) ^{[ 6 ]} وتقع على بعد حوالي 90,000 كيلومتر (56,000 ميل) من الكوكب. ^{[ 7 ]}  

تتشكل الصدمات القوسية حول المذنبات نتيجةً لتفاعل الرياح الشمسية مع الغلاف الأيوني للمذنب. بعيدًا عن الشمس، يكون المذنب عبارة عن صخرة جليدية بلا غلاف جوي. وعندما يقترب من الشمس، تتسبب حرارة ضوء الشمس في انطلاق الغازات من نواة المذنب ، مما يُكوّن غلافًا جويًا يُسمى الذؤابة . تتأين الذؤابة جزئيًا بفعل ضوء الشمس، وعندما تمر الرياح الشمسية عبر هذه الذؤابة الأيونية، تظهر الصدمة القوسية.

أُجريت أولى الملاحظات في ثمانينيات وتسعينيات القرن الماضي عندما حلّقت عدة مركبات فضائية بالقرب من المذنبات 21P/Giacobini–Zinner ، ^{[ 8 ]} و1P/Halley ، ^{[ 9 ]} و 26P/Grigg–Skjellerup . ^{[ 10 ]} وتبين حينها أن الصدمات القوسية عند المذنبات أوسع وأكثر تدرجًا من الصدمات القوسية الحادة للكواكب التي تُرى على الأرض، على سبيل المثال. وقد أُجريت جميع هذه الملاحظات بالقرب من نقطة الحضيض الشمسي عندما كانت الصدمات القوسية قد بلغت ذروتها.

تتبّعت المركبة الفضائية روزيتا المذنب 67P /تشوريوموف-جيراسيمينكو من أطراف النظام الشمسي ، على مسافة 3.6 وحدة فلكية من مركز الشمس ، وصولاً إلى نقطة الحضيض عند 1.24 وحدة فلكية، ثم العودة بعيدًا. وقد مكّن هذا روزيتا من رصد موجة الصدمة الأمامية أثناء تشكّلها مع ازدياد انبعاث الغازات خلال رحلة المذنب نحو الشمس. في هذه المرحلة المبكرة من التكوّن، سُمّيت موجة الصدمة "موجة الصدمة الأمامية الوليدة". ^{[ 11 ]} تتميز موجة الصدمة الأمامية الوليدة بعدم تناظرها، وهي، نسبةً إلى المسافة إلى النواة، أعرض من موجات الصدمة الأمامية المتطوّرة بالكامل.

يُكوّن النجم النابض سديم رياح نابض (PWN)، وتبقى سديم الرياح النابضة والنفثات دون تشوه في النجوم النابضة التي لا تزال داخل بقايا مستعر أعظم (SNR) . بمجرد خروج النجم النابض من بقايا المستعر الأعظم، تنخفض سرعة الصوت فيه، ويصبح النجم النابض أسرع من الصوت . حينها، تُحصر رياح النجم النابض بفعل ضغط الوسط بين النجوم (ISM) ، مما يؤدي إلى تكوّن موجة صدمية قوسية. ^{[ 13 ]} في عام 2022، لم يكن معروفًا سوى 9 نجوم نابضة مرتبطة بموجات صدمية. ^{[ 14 ]} من أمثلتها سديم الغيتار حول النجم النابض PSR B2224+65 ، ^{[ 12 ]} وسديم اليعسوب حول النجم النابض PSR J2021+3651 ، ^{[ 13 ]} والنجم النابض PSR J0437-4517 ، والنجم النابض PSR J1741-2054، ^{[ 15 ]} ونجم الأرملة السوداء النابض . ^{[ 14 ]}

لعدة عقود، ساد الاعتقاد بأن الرياح الشمسية تُشكّل موجة صدمية أمامية عند حافة الغلاف الشمسي ، حيث تصطدم بالوسط بين النجوم المحيط بها. وبالابتعاد عن الشمس، تُعرف النقطة التي يصبح عندها تدفق الرياح الشمسية دون سرعة الصوت بموجة الصدمة النهائية ، والنقطة التي يتوازن عندها ضغط الوسط بين النجوم مع ضغط الرياح الشمسية بالغلاف الشمسي، أما النقطة التي يصبح عندها تدفق الوسط بين النجوم دون سرعة الصوت فتُعرف بموجة الصدمة الأمامية. وكان يُعتقد أن هذه الموجة الصدمية الشمسية تقع على بُعد حوالي 230 وحدة فلكية ^{[ 16 ]} من الشمس، أي أكثر من ضعف المسافة التي صادفتها مركبة فوياجر الفضائية عند وصولها إلى موجة الصدمة النهائية.

مع ذلك، تشير البيانات التي جُمعت عام ٢٠١٢ من مستكشف الحدود بين النجوم التابع لناسا (IBEX) إلى غياب أي صدمة قوسية شمسية. ^{[ ١٧ ]} إلى جانب النتائج المؤيدة من مركبة فوياجر الفضائية ، حفزت هذه النتائج بعض التحسينات النظرية؛ إذ يُعتقد حاليًا أن تشكل الصدمة القوسية يُمنع، على الأقل في المنطقة المجرية التي تمر بها الشمس، بفعل مزيج من قوة المجال المغناطيسي بين النجوم المحلي والسرعة النسبية للغلاف الشمسي. ^{[ ١٨ ]}

في عام 2006، تم اكتشاف صدمة قوسية بعيدة المدى بالأشعة تحت الحمراء بالقرب من نجم AGB R Hydrae . ^{[ 19 ]}

تُعد الصدمات القوسية أيضًا سمة شائعة في أجسام هيربيج هارو ، حيث يتفاعل تدفق قوي وموجه من الغاز والغبار من النجم مع الوسط بين النجوم، مما ينتج عنه صدمات قوسية ساطعة يمكن رؤيتها بأطوال موجية بصرية.

التقط تلسكوب هابل الفضائي هذه الصور للصدمات القوسية المكونة من غازات كثيفة وبلازما في سديم أوريون .

حول نجم متغير كارثي

ASASJ2054

FY Vulpeculae

صورتان لسدم حول نجمين متغيرين كارثيين، حيث يُظهر اللون الأزرق المخضر [O III] واللون الأحمر يُظهر H-alpha

تظهر صدمات القوس أيضًا حول ستة نجوم متغيرة كارثية (CVs) ذات أقراص تراكمية مضيئة ، والتي تدفع رياحًا سريعة إلى الوسط بين النجوم. هذه النجوم الستة هي: BZ Camelopardalis ، ^{[ 21 ] [ 22 ]} V341 Ara ، ^{[ 23 ] [ 24 ]} SY Cancri ، ^{[ 25 ]} ASASSN-V J205457.73+515731.9، ^{[ 26 ] [ 27 ]} LS Pegasi ، ^{[ 27 ]} و FY Vulpeculae . ^{[ 28 ]}

تم التوصل إلى بعض الاكتشافات الحديثة بمساعدة علماء الفلك الهواة . ^{[ 25 ] [ 27 ] [ 28 ]} تظهر هذه السدم عادةً في الأكسجين المتأين مرتين، وتقع داخل سديم هيدروجين ألفا أكبر . ^{[ 22 ] [ 24 ] [ 28 ]}

حول النجوم الضخمة

الصدمة القوسية حول نجم بيتا الصليب (ميموزا)، وهو النجم الأزرق الأقل سطوعًا في منتصف اليسار. صورة من برنامج unWISE

زيتا الحواء هو أشهر نجم صدمي ضخم. الصورة من تلسكوب سبيتزر الفضائي.

إذا كان النجم الضخم نجمًا هاربًا ، أو إذا تحرك الوسط بين النجوم بالنسبة له، فإنه قد يُشكّل صدمة قوسية بالأشعة تحت الحمراء يُمكن رصدها عند 24 ميكرومتر، وأحيانًا عند 8 ميكرومتر، بواسطة تلسكوب سبيتزر الفضائي أو قنوات W3/W4 لتلسكوب WISE . في عام 2016، أنشأ كوبولنيكي وزملاؤه أكبر فهرس للصدمات القوسية باستخدام سبيتزر/WISE حتى الآن، والذي ضم 709 مرشحًا للصدمات القوسية. ^{[ 29 ] [ 30 ]} وللحصول على فهرس أكبر للصدمات القوسية، قام مشروع درب التبانة ( مشروع علمي للمواطنين ) برسم خرائط للصدمات القوسية بالأشعة تحت الحمراء في مستوى المجرة. وقد حدد البحث 311 مرشحًا جديدًا للصدمات القوسية. ^{[ 31 ]} سيساعد هذا الفهرس الأكبر على فهم الرياح النجمية للنجوم الضخمة. ^{[ 32 ]}

أقرب النجوم ذات الصدمات القوسية بالأشعة تحت الحمراء هي (في نطاق 130 فرسخ فلكي): ^{[ 30 ]}

اسم	المسافة ( بالحصان )	النوع الطيفي	محاذاة/عدم محاذاة صدمة القوس مع الحركة النجمية	ينتمي إلى
ألفا سيفي	15.04	A8Vn	غير محاذي
بيتا الميزان	56.75	B8Vn	غير محاذي
الميموزا	85.40	B1IV	غير محاذي	مجموعة فرعية من قنطورس السفلي - كروكس
ألفا موسكا	96.71	B2IV	غير محاذي	مجموعة فرعية من قنطورس السفلي - كروكس
أكروكس	98.72	B0.5IV+B1V	غير محاذي	مجموعة فرعية من قنطورس السفلي - كروكس
بيتا موسكا	104.71	B2V	غير محاذي	جمعية العقرب-قنطورس
باي سنتوري	109.65	B5Vn	غير محاذي	مجموعة فرعية من قنطورس السفلي - كروكس
زيتا الحواء	112.23	O9.2IVnn	متناسق	المجموعة الفرعية العليا من برج العقرب
مايا	117.51	B8III	متناسق	الثريا
HD 110956	117.92	B2/3V	غير محاذي	مجموعة فرعية من قنطورس السفلي - كروكس
HR 5906	128.87	B5V	غير محاذي

معظمهم ينتمون إلى مجموعة العقرب-القنطور .

يحدث تأثير مشابه، يُعرف بتأثير التغطية المغناطيسية، عندما يصطدم تدفق بلازما فائق السرعة (فوق سرعة ألفين) بجسم غير ممغنط، كما يحدث عندما تصل الرياح الشمسية إلى الغلاف الأيوني لكوكب الزهرة: ^{[ 33 ]} ينحرف التدفق حول الجسم، مُغطياً المجال المغناطيسي على طول مسار التدفق. ^{[ 34 ]}

إن شرط أن يكون التدفق فوق الألفيني يعني أن السرعة النسبية بين التدفق والجسم،${\displaystyle v}$، أكبر من سرعة ألفين المحلية${\displaystyle V_{A}}$مما يعني رقم ماخ ألففيني كبير :${\displaystyle M_{A}\gg 1}$بالنسبة للأجسام غير الممغنطة والموصلة للكهرباء ، يُولّد المجال المحيط تيارات كهربائية داخل الجسم وفي البلازما المحيطة به، مما يؤدي إلى انحراف التدفق وإبطائه، حيث أن المقياس الزمني لتبدد المجال المغناطيسي أطول بكثير من المقياس الزمني لانتقال المجال المغناطيسي . بدورها، تُولّد التيارات المُستحثة مجالات مغناطيسية تُحرف التدفق مُحدثةً صدمة قوسية. على سبيل المثال، تُوفر الأيونوسفيرات المريخية والزهرة بيئات موصلة للتفاعل مع الرياح الشمسية. في غياب الأيونوسفير، يمتص الجسم غير الموصل البلازما الممغنطة المتدفقة. يحدث هذا الأخير، على سبيل المثال، عندما تتفاعل الرياح الشمسية مع القمر الذي لا يمتلك أيونوسفير. في ظاهرة الالتفاف المغناطيسي، تلتف خطوط المجال حول الجانب الأمامي للجسم مُشكلةً غلافًا ضيقًا يُشبه الصدمات القوسية في الأغلفة المغناطيسية للكواكب. يزداد تركيز المجال المغناطيسي حتى يُصبح ضغط الصدمة مُقاربًا للضغط المغناطيسي في الغلاف.

${\displaystyle \rho _{0}v^{2}={\frac {B_{0}^{2}}{2\mu _{0}}},}$

أين${\displaystyle \rho _{0}}$هي كثافة البلازما،${\displaystyle B_{0}}$هو المجال المغناطيسي الممتد بالقرب من الجسم، و${\displaystyle v}$هي السرعة النسبية بين البلازما والجسم. وقد تم رصد ظاهرة الالتفاف المغناطيسي حول الكواكب والأقمار والانبعاثات الكتلية الإكليلية الشمسية والمجرات. ^{[ 35 ]}

• موجة صدمية
• الموجات الصدمية في الفيزياء الفلكية
• هيليوشيث
• توهج فيرمي
• الصدمة الأمامية (الديناميكا الهوائية)
• IRC -10414

• كيفيلسون ، إم جي؛ راسل، سي تي (1995). مقدمة في فيزياء الفضاء . نيويورك: مطبعة جامعة كامبريدج . ص 129. ISBN  978-0-521-45104-8.
• كرافنز ، تي إي (1997). فيزياء بلازما النظام الشمسي . نيويورك: مطبعة جامعة كامبريدج. ص 142. ISBN  978-0-521-35280-2.

• صورة ناسا الفلكية لليوم: صورة الصدمة القوسية (كاميرا BZ) (28 نوفمبر 2000)
• صورة ناسا الفلكية لليوم: صورة الصدمة القوسية (IRS8) (17 أكتوبر 2000)
• صورة ناسا الفلكية لليوم: زيتا أوف: نجم هارب (8 أبريل 2017)
• صورة الصدمة القوسية (HD77581)
• صورة صدمة القوس (LL Ori)
• المزيد عن سفن فوياجر
• استمع إلى صدمة قوس كوكب المشتري (من جامعة أيوا)
• مركبة فضائية تابعة لمجموعة كلوستر تحقق اكتشافاً صادماً (صدمة القوس الكوكبية)