Hai tàu vũ trụ đã cung cấp một phép đo đột phá giúp giải đáp bí ẩn vũ trụ 65 năm tuổi - tại sao bầu khí quyển của mặt trời lại nóng đến vậy. Bầu khí quyển của mặt trời được gọi là vành nhật hoa. Nó bao gồm khí tích điện gọi là plasma, với nhiệt độ khoảng một triệu độ C. Nhiệt độ của nó là một bí ẩn vĩnh cửu, vì nhiệt độ bề mặt của mặt trời chỉ khoảng 6.000 độ C. Vành nhật hoa phải mát hơn bề mặt vì năng lượng của mặt trời đến từ lò hạt nhân ở lõi của nó, và bạn càng ở xa nguồn nhiệt thì nó càng trở nên mát hơn một cách tự nhiên. Tuy nhiên, nhiệt độ của quầng Mặt Trời cao hơn bề mặt hơn 150 lần. Chắc hẳn phải có một phương pháp khác để truyền năng lượng cho plasma khi hoạt động, đó là phương pháp gì?

Trong hình ảnh này được chụp bởi thiết bị Metis của Solar Orbiter, bầu khí quyển bên ngoài của Mặt trời, được gọi là quầng hào quang, có thể được nhìn thấy đang mở rộng vào không gian. Metis là một thiết bị đa bước sóng hoạt động ở cả bước sóng nhìn thấy và tia cực tím. Đó là một vành nhật hoa, có nghĩa là nó chặn ánh sáng mặt trời chói chang từ bề mặt Mặt trời, làm cho ánh sáng mờ hơn được phân tán bởi các hạt trong vành nhật hoa có thể nhìn thấy được. Trong hình ảnh này, đĩa màu đỏ mờ tượng trưng cho coronagraph, còn đĩa trắng là mặt nạ dùng để nén kích thước hình ảnh nhằm giảm lượng dữ liệu đường xuống không cần thiết. Nguồn hình ảnh: ESA và NASA/Tàu quỹ đạo mặt trời/Nhóm Metis; D. Telloni và cộng sự. (2023)

TAGP H59Những thách thức lý thuyết và nghiên cứu

Từ lâu, người ta đã nghi ngờ rằng sự nhiễu loạn trong khí quyển mặt trời gây ra sự nóng lên đáng kể của plasma trong quầng hào quang. Nhưng khi nghiên cứu hiện tượng này, các nhà vật lý mặt trời gặp phải một vấn đề thực tế: Không thể thu thập toàn bộ dữ liệu cần thiết chỉ bằng một tàu vũ trụ.

Có hai cách để nghiên cứu mặt trời: viễn thám và đo tại chỗ. Trong các phép đo viễn thám, một tàu vũ trụ được đặt ở khoảng cách xa và sử dụng camera để quan sát mặt trời và bầu khí quyển của nó ở các bước sóng khác nhau. Trong phép đo tại chỗ, tàu vũ trụ bay qua khu vực mà nó muốn nghiên cứu, thực hiện các phép đo về hạt và từ trường trong phần không gian đó.

Cả hai phương pháp đều có ưu điểm riêng. Viễn thám có thể hiển thị kết quả ở quy mô lớn nhưng không thể hiển thị chi tiết các quá trình xảy ra trong plasma. Đồng thời, các phép đo tại chỗ có thể cung cấp thông tin rất cụ thể về các quy trình quy mô nhỏ trong plasma, nhưng không thể cho thấy các quy trình này ảnh hưởng như thế nào đến các quy trình quy mô lớn.

Hai cuộc khảo sát tàu vũ trụ

Để có được bức tranh đầy đủ, cần có hai tàu vũ trụ. Đó chính xác là những gì các nhà vật lý học mặt trời hiện có, với tàu vũ trụ Solar Orbiter do ESA dẫn đầu và tàu thăm dò mặt trời Parker của NASA. Solar Orbiter được thiết kế để đến gần Mặt trời nhất có thể trong khi thực hiện các hoạt động viễn thám và đo tại chỗ. Tàu thăm dò mặt trời Parker phần lớn đã từ bỏ khả năng viễn thám về mặt trời, thay vào đó di chuyển đến gần mặt trời hơn để thực hiện các phép đo tại chỗ.

Nhưng để tận dụng tối đa tính bổ sung của chúng, Parker Solar Probe phải nằm trong tầm quan sát của một trong các thiết bị của Solar Orbiter. Bằng cách này, Solar Orbiter có thể ghi lại lượng dữ liệu khổng lồ được tạo ra bởi các phép đo tại chỗ của Parker Solar Probe.


Tàu quỹ đạo Mặt trời của ESA là một trong hai tàu vũ trụ bổ sung nghiên cứu Mặt trời ở cự ly gần: nó đang thực hiện sứ mệnh với Tàu thăm dò Mặt trời Parker của NASA. Nguồn hình ảnh: Tàu quỹ đạo mặt trời: ESA/ATGmedialab; Tàu thăm dò mặt trời Parker: NASA/Johns-Hopkins APL

Điều phối vật lý thiên văn

Daniele Telloni, nhà nghiên cứu tại Viện Vật lý Thiên văn Quốc gia Ý (INAF) tại Đài quan sát Vật lý Thiên văn Turin, là thành viên của nhóm đằng sau thiết bị Metis của Solar Orbiter. Metis là một vành nhật hoa chặn ánh sáng từ bề mặt mặt trời và chụp ảnh vành nhật hoa. Nó là công cụ hoàn hảo cho các phép đo quy mô lớn, vì vậy Danielle bắt đầu tìm hiểu khi nào Tàu thăm dò mặt trời Parker sẽ hoạt động.

Anh ấy phát hiện ra rằng vào ngày 1 tháng 6 năm 2022, hai tàu vũ trụ sẽ ở cấu hình quỹ đạo chính xác -- gần như vậy. Về cơ bản, Solar Orbiter sẽ quan sát mặt trời, trong khi Parker Solar Probe ở một bên, rất gần nhưng ngay bên ngoài tầm nhìn của thiết bị Métis.

Khi Daniel nhìn thấy vấn đề này, anh ấy nhận ra rằng việc đưa Tàu thăm dò Mặt trời Parker vào tầm nhìn sẽ chỉ cần một thao tác nhỏ trên Tàu quỹ đạo Mặt trời: lăn nó 45 độ và hướng nó ra xa mặt trời một chút.

Tuy nhiên, mọi chuyển động của sứ mệnh không gian đều được lên kế hoạch cẩn thận trước và bản thân tàu vũ trụ được thiết kế để chỉ hướng theo những hướng rất cụ thể, đặc biệt là khi đối mặt với sức nóng khủng khiếp của mặt trời. Không rõ liệu nhóm vận hành tàu vũ trụ có chấp nhận những sai lệch như vậy hay không. Tuy nhiên, một khi lợi ích khoa học tiềm năng đã trở nên rõ ràng đối với mọi người, quyết định rõ ràng là "có".

Sứ mệnh Tàu quỹ đạo Mặt trời của ESA sẽ đối mặt với Mặt trời từ bên trong quỹ đạo của Sao Thủy trong lần tiếp cận gần Mặt trời nhất. Nguồn hình ảnh: ESA/ATGmedialab

Quan sát đột phá

Tiếp tục lăn và hướng lệch; Tàu thăm dò mặt trời Parker đi vào trường quan sát và lần đầu tiên hai tàu vũ trụ này đo đồng thời cấu trúc quy mô lớn của quầng sáng và các đặc tính vi mô của plasma.

Daniel, người đứng đầu cuộc phân tích tập dữ liệu, cho biết: "Công trình này là kết quả đóng góp của rất nhiều người". Làm việc cùng nhau, họ đã tạo ra những quan sát toàn diện đầu tiên và ước tính tại chỗ về tốc độ gia nhiệt của vành nhật hoa.

Gary Zank thuộc Đại học Alabama ở Huntsville, một trong những đồng tác giả của bài báo, cho biết: “Khả năng sử dụng đồng thời Tàu quỹ đạo Mặt trời và Tàu thăm dò Mặt trời Parker thực sự đã mở ra những khả năng mới cho nghiên cứu này”. chắc chắn đúng khi xác định nhiễu loạn là một phương thức truyền năng lượng.

Ý tưởng của một nghệ sĩ về Tàu thăm dò Mặt trời Parker đang tiếp cận mặt trời. Nguồn hình ảnh: NASA/JohnsHopkinsAPL/SteveGribben

Cách chính xác mà sự nhiễu loạn tạo ra hiệu ứng này không khác gì những gì xảy ra khi bạn khuấy cà phê vào buổi sáng. Bằng cách kích thích chuyển động ngẫu nhiên của chất lỏng (khí hoặc chất lỏng), năng lượng được truyền sang các quy mô nhỏ hơn, cuối cùng chuyển năng lượng thành nhiệt. Trong vành nhật hoa, chất lỏng cũng bị từ hóa nên năng lượng từ tính được lưu trữ cũng có thể chuyển hóa thành năng lượng nhiệt.

Sự truyền năng lượng từ trường và động năng từ quy mô lớn hơn sang quy mô nhỏ hơn là bản chất của nhiễu loạn. Ở quy mô nhỏ nhất, nó khiến sóng cuối cùng tương tác với từng hạt riêng lẻ (chủ yếu là proton) và làm nóng chúng.

Kết luận và ý nghĩa

Cần phải làm nhiều việc hơn nữa trước khi vấn đề sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời được giải quyết, nhưng giờ đây, nhờ công trình của Daniele, các nhà vật lý mặt trời đã lần đầu tiên đo được quá trình này.

"Đây là nghiên cứu khoa học đầu tiên," nhà khoa học dự án Daniel Müller cho biết.