Bí ẩn gập từ trường Mặt Trời: Solar Orbiter giải mã hành trình của cấu trúc chữ S

Tàu vũ trụ Solar Orbiter do Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) dẫn đầu đã tạo nên một bước ngoặt khi bay xuyên qua một nếp gập từ trường khổng lồ dạng chữ S, thường gọi là switchback, ngay trong dòng gió Mặt Trời. Bằng cách thu thập các hạt plasma chứa oxy và cacbon tích điện ngay bên trong nếp gập, các nhà khoa học đã tìm ra lời giải cho câu hỏi trung tâm: những cấu trúc từ trường kỳ lạ này được sinh ra từ đâu trên bề mặt Mặt Trời và chúng di chuyển như thế nào qua không gian liên hành tinh? Kết quả phân tích khẳng định cơ chế tái kết nối giao thoa trên bầu khí quyển Mặt Trời chính là chìa khóa khởi tạo, trước khi sóng và sự nhiễu loạn tiếp quản hành trình của chúng khi đi xa hơn vào không gian. [1]

Hành trình đâm xuyên qua nếp gập từ trường khổng lồ

Trong không gian vũ trụ, Mặt Trời không chỉ tỏa ánh sáng mà còn liên tục phóng ra dòng hạt điện tích nóng hổi gọi là gió Mặt Trời. Dòng plasma này kéo theo các đường từ trường vươn dài vào không gian liên hành tinh. Tuy nhiên, các đường từ trường không phải lúc nào cũng duỗi thẳng mà có thể bị xoắn, đứt gãy hoặc tự gập đôi lại tạo thành các cấu trúc uốn cong dạng chữ S độc đáo. Mặc dù các quan sát từ xa trước đó từng ghi nhận dấu hiệu của hiện tượng gập từ trường này, việc trực tiếp đo đạc bên trong một cấu trúc thực tế vẫn là bài toán thách thức với các nhà thiên văn học. [1]

Vào thời điểm thực hiện phép đo, tàu vũ trụ Solar Orbiter đang di chuyển ở vị trí khoảng giữa Trái Đất và Mặt Trời. Con tàu đã bay thẳng qua một nếp gập từ trường switchback có kích thước rất lớn. Việc hiện diện trực tiếp trong lòng hiện tượng cho phép thiết bị trên tàu thực hiện đo đạc các đặc tính vật lý của dòng plasma tại chỗ, thay vì chỉ suy luận dựa trên hình ảnh chụp từ khoảng cách xa. [1]

Dấu vân tay hóa học bên trong dòng hạt tích điện

Để truy tìm nguồn gốc của nếp gập từ trường, nhóm nghiên cứu do nhà khoa học Jesse Coburn từ Viện CNRS/LPP của Pháp dẫn đầu đã sử dụng thiết bị Phân tích Gió Mặt Trời (SWA) tích hợp trên tàu Solar Orbiter. Thiết bị SWA đã thực hiện phân tích thành phần của các hạt mang điện cấu tạo nên dòng plasma bên trong switchback. Kết quả đo đạc cho thấy sự xuất hiện của một hỗn hợp đặc biệt gồm các ion oxy và cacbon tích điện ở mức độ cao. [1]

Sự hiện diện của hỗn hợp ion oxy và cacbon này đóng vai trò như một dấu vân tay hóa học đặc trưng. Theo các nhà vật lý thiên văn, trạng thái ion hóa đặc biệt của oxy và cacbon chỉ có thể được tạo ra bên trong các cấu trúc vòng từ trường kín có nhiệt độ rất cao ngay sát bề mặt Mặt Trời. Giống như một dòng suối chảy qua vùng núi đá vôi sẽ mang theo hàm lượng canxi đặc trưng, sự xuất hiện của các ion này giữa không gian liên hành tinh là bằng chứng trực tiếp cho thấy vật chất đã xuất phát từ các cấu trúc từ trường nóng bỏng trên bề mặt ngôi sao. [1]

Cơ chế tái kết nối giao thoa khởi tạo cấu trúc chữ S

Trước phát hiện này, cộng đồng khoa học tồn tại hai luồng lý thuyết tranh cãi về cách thức hình thành switchback cũng như dòng gió Mặt Trời. Một luồng ý kiến cho rằng hiện tượng này xuất phát từ quá trình tái kết nối giao thoa ở bầu khí quyển Mặt Trời, trong khi luồng ý kiến còn lại quy trách nhiệm cho sóng và sự nhiễu loạn phát triển trong quá trình lan truyền. Thành phần hạt thu được từ thiết bị SWA đã cung cấp bằng chứng quyết định ủng hộ cơ chế tái kết nối giao thoa. [1]

Cơ chế tái kết nối giao thoa diễn ra khi các vùng có tính chất từ trường khác nhau trên Mặt Trời tương tác với nhau. Bề mặt Mặt Trời gồm có vùng từ trường mở, nơi các đường từ trường vươn thẳng ra không gian như những đường cao tốc cho phép vật chất thoát đi dễ dàng, và vùng từ trường kín, nơi các đường từ trường uốn cong tạo thành các vòng kín giữ chặt plasma nóng bên trong. Khi một vùng mở tiến lại gần một vùng kín, các đường từ trường bị dồn ép, đứt gãy và nối lại theo hình thái mới. Quá trình tái cấu trúc này bẻ gãy vòng kín, giải phóng dòng plasma bùng nổ vào không gian và tạo ra nếp gập dạng chữ S. [1]

Sự tiếp quản của sóng và nhiễu loạn trong không gian

Mặc dù tái kết nối giao thoa là ngòi nổ tạo ra nếp gập ban đầu trên bề mặt Mặt Trời, hành trình tiếp theo của switchback khi lao vào không gian lại chịu sự chi phối của một cơ chế thứ hai. Nhà nghiên cứu Stephanie Yardley từ Đại học Northumbria ở Anh, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết các dấu hiệu của sóng và sự nhiễu loạn bắt đầu xuất hiện và đóng vai trò chủ đạo sau khi nếp gập bứt khỏi bầu khí quyển Mặt Trời. [1]

Sóng và sự nhiễu loạn trong dòng plasma, vốn là yếu tố quan trọng truyền năng lượng làm nóng và gia tốc cho gió Mặt Trời, sẽ tiếp quản và điều phối cách thức nếp gập từ trường di chuyển cũng như biến đổi khi đi xa dần khỏi ngôi sao mẹ. Phát hiện mới này đã hòa giải hai lý thuyết vốn được coi là đối lập: tái kết nối giao thoa và sự nhiễu loạn không triệt tiêu nhau, mà cùng tham gia vào vòng đời của switchback ở các giai đoạn thời gian và không gian khác nhau. [1]

Kết nối dữ liệu vũ trụ để bảo vệ Trái Đất

Để đi đến kết luận công bố trên tạp chí Nature Astronomy, nhóm nghiên cứu đã kết hợp các phép đo tại chỗ về hạt năng lượng từ thiết bị SWA của Solar Orbiter với hình ảnh chụp đĩa Mặt Trời và các mô hình mô phỏng từ trường. Nhóm đã xây dựng một mô hình máy tính mới để liên kết dữ liệu của Solar Orbiter với quan sát từ Tàu ghi nhận Động lực học Mặt Trời (SDO) của NASA, giúp theo dõi chính xác vị trí phát nguồn của nếp gập trên bề mặt Mặt Trời. [1]

Nghiên cứu không chỉ giải mã nguồn gốc của các switchback mà còn mở ra góc nhìn sâu sắc hơn về cơ chế Mặt Trời đốt nóng khí quyển và tăng tốc dòng gió Mặt Trời vào không gian. Nhà khoa học dự án Daniel Müller của ESA nhấn mạnh rằng việc hiểu rõ động lực học của gió Mặt Trời có ý nghĩa thiết thực trong việc dự báo thời tiết vũ trụ, giúp bảo vệ các vệ tinh nhân tạo, lưới điện và hạ tầng công nghệ trên Trái Đất trước các trận bão Mặt Trời nguy hiểm. [1]