Solar Orbiter giải quyết bí ẩn chuyển đổi từ tính

Solar Orbiter giải quyết bí ẩn chuyển đổi từ tính

    Solar Orbiter giải quyết bí ẩn chuyển đổi từ tính
    bởi Cơ quan Vũ trụ Châu Âu

    Solar Orbiter solves magnetic switchback mystery
    Làm thế nào một chuyển đổi năng lượng mặt trời được hình thành. Nhà cung cấp hình ảnh: ESA & NASA / Solar Orbiter / EUI & Metis Teams và D. Telloni et al. (2022); Zank và cộng sự. (2020)


    Với dữ liệu từ mặt trời đi qua gần nhất của nó, tàu vũ trụ Quỹ đạo Mặt trời của ESA / NASA đã tìm thấy manh mối thuyết phục về nguồn gốc của các công tắc từ tính và chỉ ra cách cơ chế hình thành vật lý của chúng có thể giúp tăng tốc gió mặt trời.

    Solar Orbiter đã thực hiện quan sát viễn thám đầu tiên phù hợp với một hiện tượng từ trường được gọi là chuyển đổi ngược mặt trời — sự lệch hướng đột ngột và lớn của từ trường gió mặt trời. Quan sát mới cung cấp một cái nhìn đầy đủ về cấu trúc, trong trường hợp này xác nhận rằng nó có đặc điểm hình chữ S, như đã được dự đoán. Hơn nữa, viễn cảnh toàn cầu được cung cấp bởi dữ liệu Solar Orbiter chỉ ra rằng những từ trường thay đổi nhanh chóng này có thể có nguồn gốc gần bề mặt của mặt trời.

    Mặc dù một số tàu vũ trụ đã bay qua những vùng khó hiểu này trước đây, nhưng dữ liệu tại chỗ chỉ cho phép đo tại một điểm và thời gian duy nhất. Do đó, cấu trúc và hình dạng của bộ chuyển mạch phải được suy ra từ các đặc tính của plasma và từ trường được đo tại một điểm.

    Khi tàu vũ trụ Helios 1 và 2 của Đức-Mỹ bay gần mặt trời vào giữa những năm 1970, cả hai tàu thăm dò đều ghi nhận sự đảo ngược đột ngột của từ trường mặt trời. Những sự đảo ngược bí ẩn này luôn đột ngột và luôn là tạm thời, kéo dài từ vài giây đến vài giờ trước khi từ trường chuyển trở lại hướng ban đầu.

    Những cấu trúc từ tính này cũng được tàu vũ trụ Ulysses thăm dò ở khoảng cách lớn hơn nhiều so với mặt trời vào cuối những năm 1990. Thay vì một phần ba bán kính quỹ đạo của Trái đất tính từ mặt trời, nơi các sứ mệnh Helios thực hiện gần nhất, Ulysses hầu như hoạt động bên ngoài quỹ đạo của Trái đất.

    Số lượng của chúng đã tăng lên đáng kể với sự xuất hiện của Tàu thăm dò Mặt trời Parker của NASA vào năm 2018. Điều này cho thấy rõ ràng rằng sự đảo chiều từ trường đột ngột gần mặt trời hơn nhiều và dẫn đến gợi ý rằng chúng được tạo ra bởi các đường gấp khúc hình chữ S trong từ trường . Hành vi khó hiểu này đã khiến hiện tượng này được đặt tên là switchbacks. Một số ý tưởng đã được đề xuất về cách mà chúng có thể hình thành.

    Vào ngày 25 tháng 3 năm 2022, Solar Orbiter chỉ cách một ngày đi qua mặt trời - đưa nó vào quỹ đạo của hành tinh Mercury - và công cụ Metis của nó đang lấy dữ liệu. Metis chặn ánh sáng chói lóa từ bề mặt mặt trời và chụp ảnh bầu khí quyển bên ngoài của mặt trời, được gọi là vầng hào quang. Các hạt trong hào quang mang điện và theo đường sức từ của mặt trời ra ngoài không gian. Bản thân các hạt mang điện được gọi là plasma.

    Vào khoảng 20:39 UT, Metis đã ghi lại hình ảnh của vầng hào quang mặt trời cho thấy một đường gấp khúc hình chữ S bị méo mó trong plasma vành tai. Đối với Daniele Telloni, Viện Vật lý Thiên văn Quốc gia - Đài quan sát Vật lý Thiên văn của Torino, Ý, nó trông giống như một thiết bị chuyển mạch mặt trời một cách đáng ngờ.

    Solar Orbiter solves magnetic switchback mystery
    Mặt trời được tàu vũ trụ ESA / NASA Solar Orbiter nhìn thấy vào ngày 25 tháng 3 năm 2022, một ngày trước khi tiến gần nhất khoảng 0,32 au, đưa nó vào trong quỹ đạo của hành tinh Sao Thủy. Hình ảnh trung tâm được chụp bởi thiết bị Máy ảnh tia cực tím (EUI). Hình ảnh bên ngoài được chụp bởi coronagraph Metis, một công cụ chặn ánh sáng chói của bề mặt mặt trời để có thể nhìn thấy bầu khí quyển mờ nhạt bên ngoài của mặt trời, được gọi là corona. Hình ảnh Metis đã được xử lý để làm nổi bật các cấu trúc trong vành nhật hoa. Điều này đã tiết lộ sự chuyển đổi trở lại (tính năng màu trắng / xanh nhạt nổi bật ở vị trí khoảng 8 giờ đồng hồ ở phía dưới bên trái). Nó dường như quay trở lại vùng hoạt động trên bề mặt của mặt trời, nơi các vòng từ tính đã phá vỡ bề mặt của mặt trời. Nhà cung cấp hình ảnh: ESA & NASA / Solar Orbiter / EUI & Metis Teams và D. Telloni et al. (2022)


    So sánh hình ảnh Metis, được chụp trong ánh sáng nhìn thấy, với hình ảnh đồng thời được chụp bởi thiết bị Máy ảnh tia cực tím (EUI) của Solar Orbiter, ông thấy rằng quá trình chuyển đổi ứng cử viên đang diễn ra phía trên một vùng hoạt động được xếp vào danh mục là AR 12972. Các vùng hoạt động là liên quan đến các vết đen và hoạt động từ trường. Phân tích sâu hơn về dữ liệu Metis cho thấy tốc độ của plasma phía trên khu vực này rất chậm, giống như dự đoán từ một khu vực hoạt động vẫn chưa giải phóng năng lượng dự trữ của nó.

    Daniele ngay lập tức nghĩ rằng điều này giống như một cơ chế tạo ra các chuyển mạch ngược được đề xuất bởi Giáo sư Gary Zank, Đại học Alabama ở Huntsville, Hoa Kỳ. Lý thuyết này xem xét cách các vùng từ tính khác nhau gần bề mặt của mặt trời tương tác với nhau.

    Gần mặt trời, và đặc biệt là phía trên các vùng hoạt động, có các đường sức từ trường mở và đóng. Các đường khép kín là các vòng từ tính uốn cong vào bầu khí quyển mặt trời trước khi uốn tròn và biến mất trở lại mặt trời. Rất ít plasma có thể thoát vào không gian phía trên các đường trường này và 

    vì vậy tốc độ của gió mặt trời có xu hướng chậm lại ở đây. Các đường trường mở là ngược lại, chúng phát ra từ mặt trời và kết nối với từ trường liên hành tinh của Hệ Mặt trời. Chúng là những đường cao tốc từ trường mà theo đó plasma có thể chảy tự do, và tạo ra gió mặt trời nhanh.

    Daniele và Gary đã chứng minh rằng chuyển ngược xảy ra khi có sự tương tác giữa vùng đường trường mở và vùng đường trường đóng. Khi các đường trường tụ lại với nhau, chúng có thể kết nối lại thành các cấu hình ổn định hơn. Thay vì bẻ gãy một chiếc roi, điều này giải phóng năng lượng và tạo ra một nhiễu động hình chữ S di chuyển vào không gian, mà một tàu vũ trụ đi qua sẽ ghi lại như một sự chuyển đổi ngược lại.

    Solar Orbiter solves magnetic switchback mystery
    Quan sát của Metis về bộ chuyển mạch ngược lại phù hợp với cơ chế lý thuyết hợp lý để sản xuất bộ chuyển mạch từ năng lượng mặt trời được đề xuất vào năm 2020 bởi Giáo sư Gary Zank. Quan sát chính là sự chuyển đổi ngược có thể được nhìn thấy phát ra từ phía trên một vùng hoạt động của mặt trời. Trình tự này cho thấy chuỗi sự kiện mà các nhà nghiên cứu cho rằng đang diễn ra. (a) Các vùng hoạt động trên mặt trời có thể có các đường sức từ trường mở và đóng. Các đường khép kín cong lên bầu khí quyển mặt trời trước khi uốn cong trở lại mặt trời. Các đường sức mở kết nối với từ trường liên hành tinh của Hệ Mặt trời. (b) Khi một vùng từ mở tương tác với một vùng kín, các đường sức từ có thể kết nối lại, tạo ra một đường sức hình chữ S và tạo ra một vụ nổ năng lượng. (c) Khi đường sức phản ứng với sự kết nối lại và giải phóng năng lượng, một đường gấp khúc được thiết lập lan truyền ra ngoài. Đây là sự chuyển đổi trở lại. Một chuyển đổi tương tự cũng được gửi theo hướng ngược lại, xuống đường trường và xuống mặt trời. Nhà cung cấp: Zank và cộng sự. (2020)


    Theo Gary Zank, người đã đề xuất một trong những lý thuyết về nguồn gốc của chuyển đổi ngược, "Hình ảnh đầu tiên từ Metis mà Daniele cho thấy đã gợi ý cho tôi gần như ngay lập tức những phim hoạt hình mà chúng tôi đã vẽ trong quá trình phát triển mô hình toán học cho chuyển đổi ngược. Tất nhiên, hình ảnh đầu tiên chỉ là một bức ảnh chụp nhanh và chúng tôi đã phải kiềm chế sự nhiệt tình của mình cho đến khi chúng tôi sử dụng độ phủ Metis tuyệt vời để trích xuất thông tin thời gian và thực hiện phân tích quang phổ chi tiết hơn của chính các hình ảnh. Kết quả được chứng minh là hoàn toàn ngoạn mục. "

    Cùng với một nhóm các nhà nghiên cứu khác, họ đã xây dựng một mô hình máy tính về hành vi và nhận thấy rằng kết quả của họ có sự tương đồng đáng kinh ngạc với hình ảnh Metis, đặc biệt là sau khi họ đưa vào các tính toán về cách cấu trúc sẽ kéo dài ra trong quá trình lan truyền của nó ra bên ngoài qua vành nhật hoa mặt trời .

    Daniele, người có kết quả được công bố trên tạp chí The Astrophysical Journal Letters cho biết: “Tôi có thể nói rằng hình ảnh đầu tiên về một công tắc từ tính trong vành nhật hoa đã tiết lộ bí ẩn về nguồn gốc của chúng.

    Để hiểu được các quy tắc chuyển đổi, các nhà vật lý năng lượng mặt trời cũng có thể đang tiến một bước để hiểu chi tiết về cách gió mặt trời được tăng tốc và làm nóng ra khỏi mặt trời. Điều này là do khi các tàu vũ trụ bay qua các nút lùi, chúng thường ghi lại một gia tốc cục bộ của gió mặt trời.

    ESA’s Solar Orbiter đã giải đáp được bí ẩn về hiện tượng từ trường trong gió Mặt trời. Nó đã chụp được hình ảnh đầu tiên từ trước đến nay về một 'chuyển đổi ngược' trong vành nhật hoa, xác nhận hình dạng 'S' được dự đoán của nó. Một chuyển đổi ngược được xác định bằng cách đảo nhanh theo hướng từ trường. Sự chuyển ngược quan sát được liên kết với một vùng hoạt động liên quan đến các vết đen và hoạt động từ trường nơi có sự tương tác giữa các đường sức từ trường mở và đóng. Sự tương tác giải phóng năng lượng và gửi nhiễu loạn hình chữ S vào không gian. Dữ liệu mới cho thấy rằng chuyển đổi ngược có thể bắt nguồn từ gần bề mặt mặt trời, và có thể quan trọng trong việc hiểu được gia tốc và sự nóng lên của gió mặt trời. Ảnh: Cơ quan Vũ trụ Châu Âu


    Daniele nói: “Bước tiếp theo là cố gắng liên kết thống kê các chuyển đổi được quan sát tại chỗ với các vùng nguồn của chúng trên mặt trời. Nói cách khác, để có một tàu vũ trụ bay qua đảo ngược từ trường và có thể nhìn thấy những gì đã xảy ra trên bề mặt mặt trời. Đây chính xác là loại khoa học liên kết mà Solar Orbiter được thiết kế để thực hiện, nhưng nó không nhất thiết có nghĩa là Solar Orbiter cần phải bay qua chuyển đổi ngược. Nó có thể là một tàu vũ trụ khác, chẳng hạn như Parker Solar Probe. Miễn là dữ liệu tại chỗ và dữ liệu viễn thám đồng thời, Daniele có thể thực hiện mối tương quan.

    Daniel Müller, Nhà khoa học của Dự án ESA cho Solar Orbiter cho biết: “Đây chính xác là loại kết quả mà chúng tôi mong đợi với Solar Orbiter. "Với mỗi quỹ đạo, chúng tôi thu được nhiều dữ liệu hơn từ bộ mười công cụ của chúng tôi. Dựa trên kết quả như kết quả này, chúng tôi sẽ tinh chỉnh các quan sát được lên kế hoạch cho lần chạm mặt trời tiếp theo của Solar Orbiter để hiểu cách mặt trời kết nối với từ trường rộng hơn môi trường của Hệ Mặt trời. Đây là lần đầu tiên Quỹ đạo Mặt trời đi qua gần mặt trời, vì vậy chúng tôi mong đợi nhiều kết quả thú vị hơn sẽ đến. "

    Vượt qua gần tiếp theo của Solar Orbiter — lại nằm trong quỹ đạo của sao Thủy ở khoảng cách 0,29 lần khoảng cách Trái đất-mặt trời — sẽ diễn ra vào ngày 13 tháng 10. Đầu tháng này, vào ngày 4 tháng 9, Solar Orbiter đã thực hiện một lực hấp dẫn bay qua Sao Kim để điều chỉnh quỹ đạo của nó xung quanh mặt trời; các mảnh bay tiếp theo của Sao Kim sẽ bắt đầu nâng độ nghiêng của quỹ đạo tàu vũ trụ để tiếp cận các vùng có vĩ độ cao hơn - nhiều cực hơn - của mặt trời.

    Cận cảnh dữ liệu của Solar Orbiter Metis được chuyển thành phim cho thấy quá trình chuyển đổi ngược trở lại. Chuỗi này đại diện cho khoảng 33 phút dữ liệu được lấy vào ngày 25 tháng 3 năm 2022. Cấu trúc sáng hình thành trong khi truyền ra ngoài từ mặt trời. Khi đạt đến sự phát triển đầy đủ, nó sẽ tự uốn cong trở lại và có được đặc tính hình chữ S méo mó của một công tắc từ tính. Cấu trúc nở ra với tốc độ 80 km / s nhưng toàn bộ cấu trúc không chuyển động với tốc độ này. Thay vào đó, nó kéo dài và biến dạng. Đây là lần đầu tiên một công tắc từ tính được quan sát từ xa. Tất cả các phát hiện khác đã diễn ra khi tàu vũ trụ bay qua những vùng từ trường bị nhiễu loạn này.

    Zalo
    Hotline