כוכב מקרוב
השמש היא כדור של גז חם וטעון חשמלית, שנקרא פלזמה, שקוטרו 1.39 מיליון קילומטרים: 109 כדורי ארץ ייכנסו זה לצד זה לרוחב פניה, ויש בה 99.8% מהמסה של כל מערכת השמש. היא כוכב רגיל בגיל העמידה, כ־4.6 מיליארד שנים לתוך חיים של כעשרה מיליארד שנים בערך (ראו מחזור החיים של כוכב).
מכדור הארץ היא נראית כמו דסקה חלקה ויציבה. דרך טלסקופ עם מסנן שמש מתאים היא לא זה ולא זה. פני השטח שלה רותחים, ומדי כמה שנים היא מתכסה בכתמים כהים שנודדים על פניה בזמן שהיא מסתובבת. המאמר הזה חותך את השמש כדי לראות איך היא בנויה, ואחר כך עוקב אחרי הקצב המגנטי האיטי שמביא את הכתמים.
מהליבה אל פני השטח
השמש בנויה בשכבות, והסצנה מראה אותן בעומקים האמיתיים שלהן, כחלק מהרדיוס.
- הליבה, הרבע הפנימי של הרדיוס, היא המקום שבו השמש מייצרת את האנרגיה שלה. בטמפרטורה של כ־15 מיליון קלווין ובצפיפות של יותר מפי עשרה מזו של עופרת, גרעיני מימן מתמזגים להליום (ראו היתוך גרעיני). בכל שנייה כארבעה מיליון טונות של חומר הופכים לאנרגיה.
- אזור הקרינה, עד כ־70 אחוז מהרדיוס, מעביר את האנרגיה הזו החוצה כאור. הגז צפוף כל כך שהאור עובר רק מרחק זעיר לפני שהוא נבלע ונשלח שוב לכיוון אקראי. כשהיא מתנדנדת כך החוצה, האנרגיה צריכה עשרות אלפי שנים ויותר כדי לחצות את האזור.
- אזור ההסעה, 30 האחוזים החיצוניים, קריר ועכור מספיק כדי שהאור כבר לא יוכל להעביר את האנרגיה מהר מספיק. במקומו הגז עצמו נושא אותה: גז חם עולה, מוסר את החום שלו ליד החלק העליון, מתקרר ושוקע שוב, כמו מים בסיר על הכיריים.
- הפוטוספרה היא פני השטח הנראים, בטמפרטורה של כ־5,800 קלווין. זה המקום שבו הגז נעשה סוף סוף דליל מספיק כדי שהאור יברח לחלל, והיא מכוסה גרנולות, הקצוות העליונים של תאי הסעה בגודל של מדינה, שכל אחד מהם מחזיק מעמד רק כעשר דקות.
מעל הפוטוספרה נמצאות הכרומוספרה, הדקה והאדומה, והקורונה, האטמוספרה החיצונית של השמש, שנמתחת מיליוני קילומטרים לתוך החלל. באופן מוזר, הקורונה חמה בהרבה מפני השטח שמתחתיה, מיליון עד שני מיליון קלווין, ואיך בדיוק השדה המגנטי מחמם אותה היא אחת השאלות הפתוחות של פיזיקת השמש. הקורונה חלשה מכדי שיראו אותה ליד הדסקה הבוהקת, חוץ מאשר בליקוי חמה מלא, כשהירח מסתיר את הפוטוספרה והזרמים בצבע הפנינה מתגלים. הגז שלה זורם החוצה כרוח השמש, שמדליקה את זוהר הקוטב כשהיא מגיעה לכדור הארץ.
כתמי שמש
כתם שמש הוא אזור בפוטוספרה שבו השדה המגנטי חזק פי אלפים מזה של כדור הארץ. השדה מעכב את ההסעה שמביאה חום אל פני השטח, ולכן הכתם קר יותר מסביבתו, כ־4,000 קלווין במקום 5,800. הוא עדיין זוהר בעוצמה; הוא נראה כהה רק בהשוואה לסביבה. לכתם גדול יש מרכז כהה, האומברה, בתוך טבעת בהירה יותר ומפוספסת, הפנומברה, והוא יכול להיות רחב פי כמה מכדור הארץ. כתמים מחזיקים מעמד מימים ועד חודשים, והם נודדים על פני הדסקה כשהשמש מסתובבת, וכך הראה גלילאו ב־1612 שהשמש מסתובבת.
כתמים מופיעים בדרך כלל בקבוצות, ולרוב הקבוצות יש שני כתמים עיקריים זה לצד זה בכיוון הסיבוב: כתם מוביל מלפנים וכתם עוקב מאחור. סביבם פני השטח משובצים כתמים בהירים שנקראים פקולות, שנראים הכי טוב ליד שפת הדסקה.
נסו: תחת שנים מהמינימום של השמש לחצו על מינימום, ואחר כך על עלייה, מקסימום ודעיכה. צפו בכתמים מופיעים רחוק מקו המשווה בתחילת המחזור, מתרבים, ואז מתמעטים קרוב יותר ויותר לקו המשווה. הגרף שליד הסצנה משרטט את המחזור כולו.
מחזור של 11 שנים
ב־1843 שם לב הרוקח הגרמני היינריך שוואבה, שספר כתמי שמש בכל יום בהיר במשך שבע־עשרה שנים, שמספרם עולה ויורד במחזור באורך של כעשר שנים. היום אסטרונומים מודדים אותו במספר כתמי השמש: עשרה על כל קבוצת כתמים על הדסקה הנראית ועוד אחד על כל כתם, בממוצע על פני חודשים. ממינימום אחד של השמש, כשהיא יכולה לעבור שבועות בלי כתם אחד, ועד הבא עוברות בממוצע כ־11 שנים, אף שמחזורים בודדים נמשכו בין 9 ל־14 שנים.
גם המקום שבו הכתמים מופיעים משתנה לאורך המחזור. הכתמים הראשונים של מחזור חדש פורצים בשתי רצועות, כ־30 מעלות מצפון ומדרום לקו המשווה. ככל שהמחזור מתקדם, הרצועות זוחלות לכיוון קו המשווה, והכתמים האחרונים מופיעים במרחק של כ־10 מעלות ממנו, בזמן שהכתמים הראשונים של המחזור הבא כבר מופיעים בקווי רוחב גבוהים. כשמשרטטים את קווי הרוחב של הכתמים לאורך הזמן, מתקבל הדפוס שוולטר ואנני מאונדר פרסמו ב־1904: דיאגרמת הפרפר, הגרף התחתון שליד הסצנה.
מחזורים נבדלים בעוצמתם. החזק ביותר שנמדד, שהגיע לשיאו ב־1958, הגיע למספר כתמים ממוצע של כ־285; זה שהגיע לשיאו ב־2014 הגיע רק לכ־115. בין 1645 ל־1715 בערך, במינימום מאונדר, כמעט לא נראו על השמש כתמים במשך שבעים שנה. התקופה הזו נפלה בתוך רצף של מאות שנים קרות באירופה שנקרא לפעמים עידן הקרח הקטן, אבל עד כמה השמש השקטה אשמה בקור עדיין שנוי במחלוקת.
נסו: קבעו את שיא מספר כתמי השמש על מחזור 19, מחזור השיא, ואחר כך על מינימום מאונדר. הכתמים, הלולאות והזרמים של הקורונה עוקבים כולם אחרי עוצמת המחזור, בזמן שהשכבות בפנים לא משתנות כלל.
סביב המקסימום של השמש היא לא רק מנומרת יותר אלא גם סוערת יותר. התפרצויות סולריות, פרצי אנרגיה פתאומיים מעל קבוצות כתמים, וענני פלזמה עצומים שנזרקים לחלל, שכיחים הרבה יותר, והקורונה מתפזרת בזרמים מכל עבר של הדסקה. במינימום הקורונה שקטה יותר ולא סימטרית: זרמים ארוכים נמתחים לאורך קו המשווה, ונוצות דקות עולות מעל הקטבים. אפילו התפוקה הכוללת של השמש משתנה, בכ־0.1%, והיא בהירה מעט יותר במקסימום, כי הפקולות הבהירות מפצות יותר מדי על הכתמים הכהים.
כתמים באים בזוגות מגנטיים
ב־1908 מדד האסטרונום האמריקאי ג’ורג’ אלרי הייל את השדה המגנטי בכתמי השמש לפי האופן שבו הוא מפצל את הקווים בספקטרום שלהם. הוא גילה שלשני הכתמים העיקריים של קבוצה יש קוטביות הפוכה: השדה יוצא מהשמש באחד ונכנס חזרה בשני. הזוג הם שתי הרגליים של לולאה אחת של שדה מגנטי שמתקשתת מעל פני השטח. באור אולטרה־סגול הלולאות נראות כקשתות זוהרות של פלזמה חמה.
הקוטביות מצייתת לכלל נוקשה, שנקרא היום חוק הייל. בחצי כדור אחד לכל הכתמים המובילים של מחזור יש אותה קוטביות; בחצי הכדור השני לכתמים המובילים יש הקוטביות ההפוכה. במחזור הבא שניהם מתחלפים. כך, אף שהכתמים באים והולכים כל 11 שנים, המגנטיות של השמש צריכה 22 שנים כדי לחזור לנקודת ההתחלה. כלל שני, חוק ג’וי, אומר שהכתם העוקב יושב בדרך כלל מעט קרוב יותר לקוטב מהכתם המוביל.
נסו: הפעילו את הצגת השדה המגנטי. לולאות מתקשתות בין הכתמים של כל זוג, ופני השטח הופכים למפה של השדה המגנטי: תכלת במקום שבו הוא מצביע החוצה מהשמש, ענבר במקום שבו הוא מצביע פנימה. קווי שדה עוברים מקוטב לקוטב, וסיבוב השמש מלפף אותם סביבה. השוו את סדר הצבעים בצפון לסדר בדרום.
למה השדה מתלפף
השמש לא מסתובבת כמו כדור מוצק. קו המשווה שלה משלים סיבוב בכ־25 ימים, אבל ליד הקטבים סיבוב לוקח כ־35. מכיוון שפלזמה מוליכה חשמל כל כך טוב, קווי השדה המגנטי נגררים יחד איתה, כמעט כמו חוטים שקפאו בתוך הגז.
בתמונה שהציע הרולד בבקוק ב־1961, מחזור מתחיל במינימום של השמש כשהשדה עובר מקוטב לקוטב, בדומה לשדה של מגנט מוט. קו המשווה, שמסתובב מהר יותר, גורר את קווי השדה איתו, מותח אותם ומלפף אותם שוב ושוב סביב השמש, עד שרצועות חזקות של שדה עוברות ממזרח למערב עמוק בפנים, ליד תחתית אזור ההסעה. רצועות של שדה חזק קלות יותר מהגז שסביבן, ולכן קטעים מהן צפים למעלה דרך אזור ההסעה. במקום שבו לולאה פורצת דרך פני השטח היא יוצרת זוג כתמים, אחד בכל רגל, עם קוטביות הפוכה, והסיבוב של השמש נותן לכל לולאה פיתול קל, שהוא ההטיה של חוק ג’וי.
כשהכתמים מתפרקים, השאריות של הכתמים העוקבים, שיושבים קרוב יותר לקטבים, נסחפות לכיוון הקטבים ומבטלות את השדה הישן שם, ואז בונות שדה חדש שמצביע לכיוון ההפוך. השדה בקטבים מתהפך בסביבות המקסימום של השמש, ועד המינימום הבא השדה שוב עובר מקוטב לקוטב, אבל הפוך. אז הליפוף מתחיל מחדש, וכל הקוטביות מתחלפות.
נסו: כשהצגת השדה המגנטי מופעלת, הזיזו לאט את שנים מהמינימום של השמש מ־0 עד 11. קווי השדה מתלפפים סביב השמש ונרגעים שוב, רצועות השדה על פני החתך זוחלות לכיוון קו המשווה, מסומנות ⊙ במקום שבו השדה פונה אליכם ו־⊗ במקום שבו הוא פונה מכם, והצבע של כיפות הקטבים משתנה כשהקטבים מתהפכים.
איך הדינמו של השמש עובד בפרטים עדיין לא ברור עד הסוף. קשה לחזות עד כמה חזק יהיה המחזור הבא; המדד הבודד הטוב ביותר עד היום הוא עוצמת השדה בקטבים בתחילת המחזור.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
- גדלים ומהירויות. הכתמים מצוירים גדולים פי אחד וחצי בערך מגודלם האמיתי, והגרנולות גדולות פי שישה בערך, כדי שיראו אותן גם בקירוב. השמש מסתובבת פעם בדקה. פני השטח מסתובבים כגוף אחד; קו המשווה המהיר יותר מופיע רק באופן שבו קווי השדה מלופפים.
- מחזור חלק וסדיר. המחזור במודל נמשך בדיוק 11 שנים, שני חצאי הכדור צועדים יחד, ומספר הכתמים עוקב אחרי עקומה ממוצעת חלקה. מחזורים אמיתיים משתנים באורכם ובצורתם, ושני חצאי הכדור יכולים להיות בהפרש של שנה ויותר.
- הליפוף הוא סכמטי. לאורך מחזור אמיתי קו המשווה המהיר היה מלפף קו שדה סביב השמש פעמים רבות, והשדה הוא סבך, לא כמה קווים מסודרים. הקווים מצוירים ממש מעל פני השטח, אף שהליפוף קורה עמוק בפנים. היכן בדיוק יושבות רצועות השדה החזק עדיין שנוי במחלוקת.
- ההסעה מסודרת יותר ממה שהיא. אזור ההסעה מצויר כזרמים חמים ורחבים שעולים בין תמרות צרות של גז קר ששוקע, שמתאחדות לתמרות מעטות ורחבות יותר ככל שיורדים לעומק, גרסה מפושטת של מה שמראות הדמיות; האמיתי מתערבל הרבה יותר, בכל קנה מידה בבת אחת. התפרצויות מצוירות כהבזקים קצרים, וענני הפלזמה שהשמש זורקת ורוח השמש לא מופיעים.
- הקורונה נעשית נראית. הקורונה האמיתית חלשה פי מיליון בערך מהפוטוספרה, וכאן היא מצוירת בהירה בהרבה. הלולאות המגנטיות זוהרות באור אולטרה־סגול ובקרני רנטגן, לא באור הנראה של שאר התמונה, והצבעים של המפה המגנטית הם בחירה, לא משהו שהייתם רואים.