Dữ liệu từ tàu thăm dò Mặt trời của ESA và tàu thăm dò Mặt trời Parker của NASA đã tiết lộ rằng những biến động lớn trong từ trường của Mặt trời, đặc biệt là sóng Alfvén, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng và đẩy nhanh gió Mặt trời.
Nghiên cứu mới sử dụng dữ liệu từ Solar Orbiter và Parker Solar Probe cho thấy sóng Alfvén đóng vai trò quan trọng trong việc tăng tốc và làm nóng gió mặt trời, cung cấp thông tin chi tiết về hiểu biết của chúng ta về các hiện tượng mặt trời và sao. Tín dụng: Solar Orbiter: ESA/ATG medialab; Parker Solar Probe: NASA/Johns Hopkins APL
Phát hiện này làm sáng tỏ động lực của hiện tượng mặt trời và gợi ý những điểm tương đồng tiềm ẩn trong gió của các ngôi sao khác.
Tiết lộ những bí ẩn về gió mặt trời
Tàu vũ trụ Solar Orbiter của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) đã cung cấp dữ liệu quan trọng để trả lời câu hỏi kéo dài hàng thập kỷ về nguồn năng lượng để làm nóng và tăng tốc gió mặt trời. Hoạt động song song với Parker Solar Probe của NASA, Solar Orbiter tiết lộ rằng năng lượng cần thiết để cung cấp năng lượng cho dòng chảy này đến từ những biến động lớn trong từ trường của Mặt trời.
Gió mặt trời là luồng hạt tích điện liên tục thoát ra khỏi bầu khí quyển mặt trời (gọi là vành nhật hoa) để chảy qua Trái đất. Sự va chạm của gió mặt trời với bầu khí quyển của hành tinh chúng ta kích hoạt cực quang đầy màu sắc trên bầu trời của chúng ta.
Vai trò của sóng Alfvén
Gió mặt trời 'nhanh' di chuyển với tốc độ trên 500 km/giây, tương đương với 1,8 triệu km/giờ. Thật kỳ lạ, luồng gió này thoát khỏi vành nhật hoa của Mặt trời với tốc độ thấp hơn, vì vậy có thứ gì đó làm nó tăng tốc khi nó di chuyển ra xa hơn. Gió một triệu độ tự nhiên nguội đi khi nó giãn nở thành một thể tích lớn hơn và trở nên ít đặc hơn, giống như không khí trên Trái đất khi bạn leo núi. Tuy nhiên, nó nguội chậm hơn dự kiến chỉ từ hiệu ứng này.
Vậy, điều gì cung cấp năng lượng cần thiết để tăng tốc và làm nóng các phần nhanh nhất của gió mặt trời? Dữ liệu từ Solar Orbiter của ESA và Parker Solar Probe của NASA đã cung cấp bằng chứng thuyết phục rằng câu trả lời là dao động quy mô lớn trong từ trường của Mặt trời, được gọi là sóng Alfvén.
“Trước công trình này, sóng Alfvén đã được cho là một nguồn năng lượng tiềm năng, nhưng chúng tôi không có bằng chứng xác đáng”, tác giả đầu tiên của công trình Yeimy Rivera từ Trung tâm Vật lý thiên văn, Harvard và Smithsonian, Massachusetts cho biết.
Khám phá động lực năng lượng
Trong một loại khí thông thường, chẳng hạn như khí quyển của Trái Đất, loại sóng duy nhất có thể truyền đi là sóng âm. Tuy nhiên, khi một loại khí được đun nóng đến nhiệt độ cực cao, chẳng hạn như trong khí quyển của Mặt Trời, nó sẽ đi vào trạng thái tích điện được gọi là plasma và phản ứng với từ trường. Điều này cho phép các sóng, được gọi là sóng Alfvén, hình thành trong từ trường. Các sóng này lưu trữ năng lượng và có thể truyền năng lượng hiệu quả qua plasma.
Một loại khí bình thường biểu thị năng lượng được lưu trữ dưới dạng mật độ, nhiệt độ và vận tốc. Tuy nhiên, với plasma, từ trường cũng lưu trữ năng lượng. Cả Solar Orbiter và Parker Solar Probe đều có các thiết bị cần thiết để đo các đặc tính của plasma, bao gồm cả từ trường của nó.
Hợp tác khoa học và phát hiện
Mặc dù hai tàu vũ trụ hoạt động ở các khoảng cách khác nhau tính từ Mặt trời và trên các quỹ đạo rất khác nhau, nhưng vào tháng 2 năm 2022, hai tàu vũ trụ đã tình cờ thẳng hàng dọc theo cùng một luồng gió Mặt trời.
Parker, hoạt động ở 13,3 bán kính mặt trời (khoảng 9 triệu km) từ Mặt trời ở rìa ngoài cùng của vành nhật hoa Mặt trời, đã băng qua luồng gió trước. Solar Orbiter, hoạt động ở 128 bán kính mặt trời (89 triệu km), sau đó băng qua luồng gió một hoặc hai ngày sau đó. Yeimy cho biết: "Công trình này chỉ có thể thực hiện được nhờ sự liên kết rất đặc biệt của hai tàu vũ trụ lấy mẫu cùng một luồng gió mặt trời ở các giai đoạn khác nhau trong hành trình của nó từ Mặt trời".
Tận dụng tối đa sự liên kết hiếm có này, nhóm nghiên cứu đã so sánh các phép đo của cùng một luồng plasma tại hai địa điểm khác nhau. Đầu tiên, họ chuyển đổi các phép đo thành bốn lượng năng lượng chính, bao gồm phép đo năng lượng được lưu trữ trong từ trường, được gọi là thông lượng năng lượng sóng.
Vì năng lượng không thể được tạo ra hoặc phá hủy, chỉ có thể chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác, nhóm nghiên cứu đã so sánh các số liệu từ Parker với các số liệu từ Solar Orbiter. Họ đã thực hiện so sánh này với cả khi có và không có thuật ngữ năng lượng từ tính.
Hiểu về sự gia tốc của gió mặt trời
Samuel Badman, đồng tác giả đầu tiên, Trung tâm Vật lý thiên văn, Harvard & Smithsonian, Massachusetts, cho biết: "Chúng tôi phát hiện ra rằng nếu không bao gồm thông lượng năng lượng sóng tại Parker, chúng tôi sẽ không khớp với lượng năng lượng mà chúng tôi có tại Solar Orbiter".
Gần Mặt trời, nơi Parker đo dòng năng lượng, khoảng 10% tổng năng lượng được tìm thấy trong từ trường. Tại Solar Orbiter, con số này đã giảm xuống chỉ còn 1% nhưng plasma đã tăng tốc và nguội chậm hơn dự kiến.
Khi so sánh các con số, nhóm nghiên cứu kết luận rằng năng lượng từ trường bị mất đang thúc đẩy quá trình tăng tốc và làm chậm quá trình làm mát của plasma bằng cách tự cung cấp một lượng nhiệt nhất định.
Dữ liệu cũng cho thấy tầm quan trọng của các cấu hình từ tính được gọi là switchback đối với gia tốc của gió. Switchback là độ lệch lớn trong các đường sức từ của Mặt trời và là ví dụ về sóng Alfvén. Chúng đã được nhìn thấy kể từ các tàu thăm dò Mặt trời đầu tiên vào những năm 1970 nhưng tỷ lệ phát hiện của chúng đã tăng đáng kể kể từ khi Parker Solar Probe trở thành tàu vũ trụ đầu tiên bay qua vành nhật hoa của Mặt trời vào năm 2021 và phát hiện ra rằng các switchback hợp lại với nhau thành từng mảng.
Ý nghĩa rộng hơn và nghiên cứu trong tương lai
Nghiên cứu mới này xác nhận rằng những mảng chuyển động ngoằn ngoèo này chứa đủ năng lượng để chịu trách nhiệm cho phần còn thiếu của quá trình tăng tốc và làm nóng của gió mặt trời nhanh.
Daniel Müller, Nhà khoa học dự án ESA cho Solar Orbiter, cho biết: "Công trình mới này đã khéo léo kết hợp một số mảnh ghép lớn của bức tranh ghép mặt trời. Ngày càng nhiều hơn, sự kết hợp dữ liệu được thu thập bởi Solar Orbiter, Parker Solar Probe và các sứ mệnh khác đang cho chúng ta thấy rằng các hiện tượng mặt trời khác nhau thực sự hoạt động cùng nhau để xây dựng nên môi trường từ tính phi thường này".
Và nó không chỉ cho chúng ta biết về Hệ Mặt trời của chúng ta. "Mặt trời của chúng ta là ngôi sao duy nhất trong Vũ trụ mà chúng ta có thể trực tiếp đo gió của nó. Vì vậy, những gì chúng ta học được về Mặt trời của chúng ta có khả năng áp dụng ít nhất cho các ngôi sao loại Mặt trời khác và có lẽ các loại sao khác có gió", Samuel nói.
Nhóm nghiên cứu hiện đang mở rộng phân tích của mình để áp dụng cho các dạng gió Mặt trời chậm hơn, nhằm xem liệu năng lượng từ trường của Mặt trời có đóng vai trò trong quá trình tăng tốc và làm nóng của chúng hay không.
Tài liệu tham khảo: “Quan sát tại chỗ về sóng Alfvén biên độ lớn làm nóng và tăng tốc gió mặt trời” của Yeimy J. Rivera, Samuel T. Badman, Michael L. Stevens, Jaye L. Verniero, Julia E. Stawarz, Chen Shi, Jim M. Raines, Kristoff W. Paulson, Christopher J. Owen, Tatiana Niembro, Philippe Louarn, Stefano A. Livi, Susan T. Lepri, Justin C. Kasper, Timothy S. Horbury, Jasper S. Halekas, Ryan M. Dewey, Rossana De Marco và Stuart D. Bale, ngày 29 tháng 8 năm 2024, Science .
DOI: 10.1126/science.adk6953
Solar Orbiter, một sứ mệnh do Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) dẫn đầu hợp tác với NASA, là một tàu thăm dò không gian sâu được thiết kế để nghiên cứu Mặt trời ở cự ly gần. Được phóng vào tháng 2 năm 2020, các mục tiêu chính của nó bao gồm kiểm tra bầu khí quyển của Mặt trời, chụp ảnh độ phân giải cao về các cực của Mặt trời và nghiên cứu gió Mặt trời và từ trường của Mặt trời. Bằng cách quay quanh Mặt trời gần hơn Sao Thủy, Solar Orbiter chịu được bức xạ Mặt trời cực mạnh để thu thập dữ liệu quan trọng, giúp các nhà khoa học hiểu được cơ chế đằng sau hoạt động của Mặt trời và tác động của nó lên toàn bộ hệ Mặt trời.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
