אריסטו הכריז, על בסיס חשיבה פילוסופית, כי השמש היא כדור מושלם. משקיפים זהירים, לעומת זאת, ציינו כי לפעמים השמש נראית מנוקדת בפגמים. כתמים כהים אלה נראים לעין בלתי מצוידת. ניתן לצפות בהם לפעמים כשהשמש סמוכה לאופק, או כאשר היא מכוסה בערפל או בתצפית מבעד פיסת זכוכית כהה. אזהרה: לעולם אל תפנה טלסקופ או משקפת לעבר השמש, מפני שהאור המרוכז ישרוף את רשתית העין שלך, ואפילו מבט קצר ביותר בשמש, למשך מספר שניות יפגע בעיניים שלך. חוקרים אחרים השתמשו בטכניקה בטוחה יותר של הקרנת אור השמש מבעד לחור של פיסת נייר, היא משנה את כיוון האור; זוהי צורה ראשונית של "מצלמה חריר" המגדילה את דמות השמש ומאפשרת לכתמי השמש להיראות.
באדיבות teachingastronomy
קיימת היסטוריה עשירה של תצפיות טרום-טלסקופיות בכתמי שמש. האסטרונום הסיני גן דה עקב אחרי כתמי שמש ב- 384 לפנה"ס. בקטלוג הכוכבים שהוא יצר. האסטרונומים הקיסריים התבוננו באופן שגרתי בכתמי השמש בסין כבר ב- 28 לפנה"ס. תלמידו של אריסטו תיאופראסטוס היה הראשון שהזכיר כתמי שמש במערב, בסביבות 300 לפנה"ס. במהלך ימי הביניים נעשו תצפיות שונות ונקבע מספר כתמי שמש, אך לעתים קרובות הם יוחסו גם למעברים פלנטריים.
בשנת 1613, גלילאו חקר את כתמי שמש עם הטלסקופ שלו, הוא הגיע למסקנה כי הם ממוקמים על פני השמש והם נעים סביב השמש על ידי סיבוב השמש. ניתן לחזור על התצפיות של גלילאו עם טלסקופ קטן או משקפת על ידי הקרנת האור של השמש על קיר או גיליון נייר לבן. (יש להקטין את צל הטלסקופ או המשקפת כדי שיכוון לעבר השמש, הצל יהיה הקטן ביותר כאשר הטלסקופ מכוון.) גלילאו לא היה הראשון שצפה באמצעות טלסקופ לעבר כתמי שמש. הקדימו אותו תומס הריוט, האחים יוהנס ודוד פבריסיוס, וכריסטוף שיינר. תצפיות הטלסקופ המוקדמות הללו סתרו באופן משכנע את הנחותיו של אריסטו – השמש הסתובבה סביב צירה, היא השתנתה, והיא לא הייתה כדור מושלם. למרבה האירוניה, זמן קצר לאחר שהטלסקופ פותח הפכה מלאכת הזיהוי של כתמי השמש לקלה יותר, מפני שהיו פחות כתמי שמש לגלות! אדוארד מונדר ציין את היעדר כללי של כתמי השמש במחצית השנייה של המאה ה -17. התקופה של פעילות השמש קטנה מאד בין 1645 ל- 1717 תקופה הידועה בשם "המינימום של מונדר".
היום אנו יודעים כי כתמי השמש הם אזורים בהן מתרחשות הפרעות בשדה המגנטי על פני השמש, כך שהם קרים במקצת בהשוואה לסביבתם. כתם שמש נראה כהה משום שטמפרטורת הגזים שלו, נמצאת בין 4000 ל -4500 מעלות קלווין. לכן, הוא מקרין פחות אור מהגז שסביבו הנמצא בטמפרטורה של 5770 מעלות קלווין. התנועה של החומר הגזי בשמש ליד כתמי השמש אינה נשלטת על ידי כוחות אטמוספריים, כמו סופות יבשתיות. במקום זאת, שדות מגנטיים על פני השמש מניעים את הגזים בשמש. הגז שאנו רואים מורכב בעיקר מיונים (אטומים טעונים או מולקולות טעונות), אשר אינם יכולים לנוע בחופשיות בשדה מגנטי, אלא חייבים לנוע בספירלה סביב השדות המגנטיים ולזרום מקוטב מגנטי אחד למשנהו.
כתמי השמש הם רק חלק מרשת מורכבת של קווי שדה מגנטי, והם מסמנים את המקומות שבהם קווי השדה עולים אל פני השמש. בדרך כלל, כתמים נמצאים בזוגות, והם יכולים להיות מחוברים על ידי קשתות ענקיות הבולטות מחוץ לפני השמש. אלה עננים ענק של גז, הגדולים מכדור הארץ, ניתן לראותם הצלליות מעל פני השמש. כאשר קווי השדה המגנטי מתכנסים, אירוע הנקרא התלקחות סולארית, החומר הקודם שנלכד בבליטות נפלט לעבר החלל, ואם הוא יוצר קרינה חזקה היא נעה גם לעבר כדור הארץ, כך יכולות להופיע תצוגות אטמוספריות מרהיבות כמו אורורה. אלה חלקיקים אנרגטיים שמקורם בשמש, והם יכולים גם להפריע לתקשורת ולגרום לבעיות בלוויינים.
מספר כתמי השמש משתנה בכל רגע ולאורך הזמן. השדה המגנטי של השמש משתנה על פני מחזור של כ- 22 שנה. במהלך תקופה הנקראת פעילות מקסימלית, ייתכן שימצאו כמה מאות כתמי השמש בו זמנית, ואילו במהלך מינימום הפעילות המספר עשוי להידלדל עד כדי העלמות מוחלטת. אז תתחיל השמש להידמות לכדור המושלם של אריסטו. התיאוריה המודרנית של כתמי השמש תואמת לתצפיות מתחילת המאה ה -20, שבוצעו על ידי ג'ורג 'אלרי הייל, חלוץ שבנה את הטלסקופ בהר ווילסון ומצפה הכוכבים פלומר בקליפורניה. הייל השתמש ספקטרוגרף מיוחד כדי לבחון פיצול של קווי המימן על ידי אפקט זיימן. אפקט באמצעות ניתן להבחין בשינויים בשדה המגנטי. הוא הראה כי השמש הופכת את כיוון השדה המגנטי פעמיים בכל מחזור שמש מלא הנמשך 22 שנים.
הפיזיקה המפורטת של מחזור כתמי השמש מורכבת ועדיין לא הובנה במלואה, אך ניתן לתאר את המאפיינים הכלליים שלה. התיאוריה כוללת התייחסות אל שמש כאל דינמו, מכונה הממירה אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית ומגנטית. בשמש מופיע שדה מגנטי דיפולי, בדומה לזה של כדור הארץ, אבל בניגוד לשדה המגנטי של כדור הארץ הוא מסתובב באופן דיפרנציאלי, כך שהשדה המגנטי משתנה מהר יותר במרכז מאשר בשולי השמש. כתוצאה מכך קווי השדה המגנטי בשלב מסוים מתחילים לחצות זה את זה ולהסתבך. קווי שדה מגנטי הנמצאים תחת מתח, בדומה לרצועות גומי. החומר בשמש נמצא במצב פלסמתי יוצר "זרע" של שדה מגנטי אשר גדל, מסתבך, דוערך וכך התהליך חוזר על עצמו. מדוע תהליך כאוטי זה ההופך לתופעה קבועה של שינוי הקוטביות, עדיין איננו ידועים. הכוכב הקרוב ביותר שלנו עדיין מציג לנו חידות שעלינו לפתור.
Author: Chris Impey