कोरोनल हीटिंग समस्या: सूर्य का कोरोना इतना गर्म क्यों है?

अलाव जलाइए, और जैसे-जैसे आप उससे दूर खड़े होते जाते हैं, हवा ठंडी होती जाती है। यही गर्मी का आम समझ वाला नियम है: स्रोत से दूर हटिए, और कम गर्माहट महसूस कीजिए। सूर्य इस नियम को बेहद नाटकीय ढंग से तोड़ देता है। इसकी दृश्य सतह लगभग 10,000 डिग्री फ़ारेनहाइट पर खौलती है, फिर भी उसके ऊपर तैरता हुआ पतला, झिलमिलाता बाहरी वातावरण — कोरोना (corona) — दस लाख डिग्री से कहीं ऊपर दहकता है। भट्टी से दूर हट जाइए, और किसी तरह आप सैकड़ों गुना अधिक गर्म हो जाते हैं। भौतिकशास्त्री 1800 के दशक से इस पहेली पर सिर खपा रहे हैं, और उन्होंने इसे एक नाम भी दिया है: कोरोनल हीटिंग समस्या (coronal heating problem)। शोधकर्ताओं के शब्दों में, यह आज भी खगोल भौतिकी (astrophysics) के सबसे जिद्दी अनसुलझे सवालों में से एक बनी हुई है।

प्रलेखित तथ्य

तापमान का यह अंतर कोई मामूली बात नहीं है। नासा (NASA) के अनुसार सूर्य की सतह, जिसे प्रकाशमंडल (photosphere) कहते हैं, लगभग 6,000 केल्विन (मोटे तौर पर 10,000°F) पर है, जबकि कोरोना "नियमित रूप से 10 लाख से 30 लाख केल्विन तक का तापमान पा लेता है" — यानी ठीक उसके नीचे की सतह से लगभग 300 गुना अधिक गर्म (नासा गोडार्ड)। यह उलटफेर वास्तविक है, मापा हुआ है, और दशकों के अवलोकनों में लगातार पुष्ट होता आया है।

हमें यह पता भी कैसे चला कि कोरोना इतना गर्म है? इसका जवाब वाकई एक खूबसूरत जासूसी कारनामा है। 1869 के पूर्ण सूर्य ग्रहण के दौरान, प्रेक्षकों ने कोरोना के वर्णक्रम (spectrum) में एक चमकीली हरी उत्सर्जन रेखा दर्ज की जो किसी भी ज्ञात तत्व से मेल नहीं खाती थी। दशकों तक वैज्ञानिकों ने इसे एक काल्पनिक नए तत्व का श्रेय दिया, जिसे उन्होंने "कोरोनियम" (coronium) नाम दिया। यह रहस्य 1940 के दशक की शुरुआत में सुलझ गया, जब स्वीडिश वर्णक्रमविज्ञानी बेंग्ट एडलेन (Bengt Edlén) ने — जर्मन खगोल भौतिकशास्त्री वाल्टर ग्रोट्रियान (Walter Grotrian) की 1939 की एक अहम अंतर्दृष्टि पर आगे बढ़ते हुए — दिखाया कि यह हरी रेखा कोई नया तत्व थी ही नहीं। यह तो लोहा (iron) था जिसके तेरह इलेक्ट्रॉन छीन लिए गए थे (Fe XIV)। किसी परमाणु को इतना नंगा कर देने के लिए चकित कर देने वाली ऊर्जा चाहिए, जिसका मतलब था कि इस रेखा को पैदा करने वाली गैस को दस लाख डिग्री से अधिक तक गर्म किया गया होगा (Frontiers in Astronomy and Space Sciences; Encyclopedia.com पर एडलेन)। यह खोज इतनी प्रति-सहज (counterintuitive) थी कि इसे तुरंत स्वीकार नहीं किया गया। बाद के मापों ने इसकी पुष्टि कर दी।

तो यह तथ्य तय है। कोरोना सचमुच लाखों डिग्री का है, और यह एक तुलनात्मक रूप से ठंडी सतह के ऊपर टिका हुआ है। इसे गर्म करने वाली ऊर्जा अंततः नीचे से आती है — सूर्य के मथते हुए भीतरी हिस्से और उसके उलझे हुए चुंबकीय क्षेत्रों से — पर वह ऊर्जा किस तरह सतह को पार करती है और खुद को पतले कोरोना में उड़ेल देती है, ठीक यहीं विज्ञान सचमुच डगमगाने लगता है।

असली अनसुलझा सवाल

बात की जड़ यही है: कोरोना की गर्मी आती कहाँ से है, और किस क्रियाविधि (mechanism) से वह वहाँ तक पहुँचाई जाती है?

यह वैसा मामला नहीं है जहाँ वैज्ञानिकों को कुछ भी पता न हो। समस्या तो ठीक उलटी है — यहाँ अच्छी तरह विकसित, भौतिक रूप से प्रशंसनीय संभावित क्रियाविधियाँ मौजूद हैं, और अनसुलझा सवाल यह है कि इनमें से कौन-सी कहाँ, कब और कितनी हावी रहती है। कोरोना एक लगभग-निर्वात (near-vacuum) है जिसमें तीव्र चुंबकीय क्षेत्र पिरोए हुए हैं, और लगभग निश्चित रूप से यही चुंबकत्व ऊर्जा का वाहक है। दिक्कत यह है कि असली खेल इतने छोटे पैमाने पर और इतनी तेज़ी से होता है कि मौजूदा उपकरण पूरे सूर्य पर इसे सीधे-सीधे सुलझा नहीं पाते। जैसा एक समीक्षा-लेख ने कहा, कोरोना का प्रकाशमंडल के तापमान से सैकड़ों गुना तक गर्म हो जाना "आज तक खगोल भौतिकी की सबसे उलझाने वाली और अनसुलझी समस्याओं में से एक" है।

सबसे अहम बात यह है कि अग्रणी सिद्धांत कोई लोककथा नहीं हैं। ये मात्रात्मक (quantitative) भौतिकी हैं जिनके पक्ष में अवलोकनात्मक समर्थन भी झुका हुआ है — और इसीलिए यह रहस्य इतना ललचाने वाला है। हम जवाब की रूपरेखा देख पाने जितने करीब हैं, पर अब तक किसी विजेता की घोषणा नहीं कर पा रहे।

सिद्धांत और व्याख्याएँ

सिद्धांत 1: नैनोफ्लेयर (अच्छी तरह समर्थित, पर हावी मानने की पुष्टि नहीं)। सूर्य की सतह अनगिनत नन्हे चुंबकीय विस्फोटों से भरी पड़ी है, जिनमें से हर एक एक "नैनोफ्लेयर" (nanoflare) है — उन विशाल फ्लेयर्स का सूक्ष्म चचेरा भाई जो सुर्खियाँ बटोरते हैं। यह विचार, जिसे मूल रूप से भौतिकशास्त्री यूजीन पार्कर (Eugene Parker) ने रखा था, यह है कि सूर्य की चुंबकीय क्षेत्र-रेखाएँ सतही गतियों से तब तक गुँथती और उलझती रहती हैं जब तक वे टूटकर अचानक झटके में फिर से जुड़ नहीं जातीं, और इस प्रक्रिया में कोरोना में गर्मी उड़ेल देती हैं। अब तक का सबसे पुख्ता प्रमाण 2014 में मिला, जब नासा के EUNIS साउंडिंग रॉकेट ने लगभग 1 करोड़ केल्विन के प्लाज़्मा से आती हल्की उत्सर्जन रेखा का पता लगाया — कोरोना के औसत से कहीं अधिक गर्म, ठीक वही हस्ताक्षर जिसकी आप संक्षिप्त, तीव्र नैनोफ्लेयर विस्फोटों से अपेक्षा करेंगे। मुख्य लेखक जेफ ब्रोसियस (Jeff Brosius) ने इसे "नैनोफ्लेयर की मौजूदगी का अब तक का सबसे मज़बूत प्रमाण" बताया (नासा गोडार्ड, The Astrophysical Journal में प्रकाशित, 2014)। मज़बूत प्रमाण — पर इसका प्रमाण नहीं कि नैनोफ्लेयर ही हर जगह अधिकांश ताप पैदा करते हैं।

सिद्धांत 2: तरंग द्वारा हीटिंग, विशेषकर एल्फवेन तरंगें (अच्छी तरह समर्थित, पर हावी मानने की पुष्टि नहीं)। दूसरा विकल्प यह है कि चुंबकीय ऊर्जा तरंगों के रूप में ऊपर की ओर यात्रा करती है। एल्फवेन तरंगें (Alfvén waves) — चुंबकीय क्षेत्र-रेखाओं के साथ-साथ चलने वाली लहरें, जिनकी भविष्यवाणी नोबेल पुरस्कार विजेता हानेस एल्फवेन (Hannes Alfvén) ने की थी — सतह के नीचे होने वाली संवहनी (convective) उथल-पुथल से पैदा हो सकती हैं, कोरोना में फैल सकती हैं, और वहाँ अपनी ऊर्जा गर्मी के रूप में बिखेर सकती हैं। कई सौर भौतिकशास्त्री तरंग द्वारा हीटिंग और चुंबकीय पुनर्संयोजन (magnetic reconnection) को दो सबसे संभावित क्रियाविधियाँ मानते हैं (Sky at Night Magazine)। नासा का पार्कर सोलर प्रोब (Parker Solar Probe), जो सीधे कोरोना के भीतर से होकर उड़ता है, ठीक इन्हीं तरंगों को क्रिया करते हुए पकड़ने के लिए डिज़ाइन किए गए उपकरण ले जाता है।

सिद्धांत 3: शायद दोनों, एक साथ काम करते हुए (तेज़ी से पसंद की जा रही व्याख्या)। एक बढ़ती हुई राय यह है कि नैनोफ्लेयर और तरंगें प्रतिद्वंद्वी व्याख्याएँ नहीं, बल्कि एक ही कहानी के परस्पर गुँथे हुए हिस्से हैं। जो चुंबकीय पुनर्संयोजन किसी नैनोफ्लेयर को जन्म देता है, वही एल्फवेन तरंगें भी छोड़ सकता है, जो फिर आसपास के प्लाज़्मा को और अधिक गर्म करती हैं। हो सकता है कि ये दोनों क्रियाविधियाँ केवल अलग-अलग क्षेत्रों या क्षणों में हावी रहती हों।

हाल के आँकड़ों ने जिसे एक तरफ़ सरका दिया (व्याख्या, विवादित)। पार्कर सोलर प्रोब ने सौर पवन (solar wind) के चुंबकीय क्षेत्र में नाटकीय S-आकार के मोड़ खोजे, जिन्हें "स्विचबैक" (switchbacks) कहा गया, और कुछ को उम्मीद थी कि यही हीटिंग का पक्का सुराग होंगे। जुलाई 2024 में यूनिवर्सिटी ऑफ़ मिशिगन के नेतृत्व में हुए एक विश्लेषण ने संकेत दिया कि स्विचबैक खुद हीटिंग के प्रमुख दोषी होने की संभावना नहीं रखते — हालाँकि शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि स्विचबैक बनाने वाली तरंग-प्रक्रियाएँ सूर्य के और करीब गर्मी पहुँचाने में अब भी योगदान दे सकती हैं (Michigan Engineering News)। Nature Astronomy में सितंबर 2024 का एक अलग अध्ययन स्विचबैक का सुराग सूर्य के वर्णमंडलीय (chromospheric) नेटवर्क सीमाओं पर होने वाले चुंबकीय पुनर्संयोजन तक ले गया, जिससे पुनर्संयोजन की व्यापक भूमिका और पुष्ट हुई (Nature Astronomy)। ईमानदार निचोड़ यह है: स्विचबैक जवाब की तुलना में एक सुराग ज़्यादा लगते हैं, और इस क्षेत्र के पास अब भी किसी एक क्रियाविधि को विजेता घोषित करने लायक आँकड़े नहीं हैं।

तो कोरोना उन दुर्लभ रहस्यों में से एक है जहाँ हम लगभग हाथ बढ़ाकर जवाब को छू सकते हैं — जैसे ही आप यह पढ़ रहे हैं, सचमुच एक अंतरिक्ष यान इसके भीतर से होकर उड़ रहा है — फिर भी अंतिम हिसाब-किताब अब भी खुला है। यही बात कोरोनल हीटिंग समस्या को इतना चुपके-से रोमांचक बना देती है। सूर्य अरबों वर्षों से अपनी अजीब, उलटी गर्माहट हम पर उड़ेलता आया है, और हम अब जाकर इतने करीब पहुँचे हैं कि उससे आमने-सामने पूछ सकें कि आखिर वह यह जादू करता कैसे है।

स्रोत और आगे पढ़ने के लिए

• नासा गोडार्ड, "Best Evidence Yet for Coronal Heating Theory Detected by NASA Sounding Rocket" — https://www.nasa.gov/content/goddard/best-evidence-yet-for-coronal-heating-theory/
• Frontiers in Astronomy and Space Sciences, "Commentary: Discovery of the Sun's million-degree hot corona" — https://www.frontiersin.org/journals/astronomy-and-space-sciences/articles/10.3389/fspas.2018.00009/full
• Encyclopedia.com, "Edlén, Bengt" — https://www.encyclopedia.com/science/dictionaries-thesauruses-pictures-and-press-releases/edlen-bengt
• University of Michigan Engineering News, "The corona is weirdly hot — Parker Solar Probe rules out one explanation" (जुलाई 2024) — https://news.engin.umich.edu/2024/07/the-corona-is-weirdly-hot-parker-solar-probe-rules-out-one-explanation/
• Nature Astronomy, "The origin of interplanetary switchbacks in reconnection at chromospheric network boundaries" (सितंबर 2024) — https://www.nature.com/articles/s41550-024-02321-9
• Sky at Night Magazine, "Solving the Coronal Heating Problem, the Sun's biggest mystery" — https://www.skyatnightmagazine.com/space-science/coronal-heating-problem

स्रोत और आगे पढ़ने के लिए

• https://www.nasa.gov/content/goddard/best-evidence-yet-for-coronal-heating-theory/
• https://www.frontiersin.org/journals/astronomy-and-space-sciences/articles/10.3389/fspas.2018.00009/full
• https://www.encyclopedia.com/science/dictionaries-thesauruses-pictures-and-press-releases/edlen-bengt
• https://news.engin.umich.edu/2024/07/the-corona-is-weirdly-hot-parker-solar-probe-rules-out-one-explanation/
• https://www.nature.com/articles/s41550-024-02321-9
• https://www.skyatnightmagazine.com/space-science/coronal-heating-problem