Một tàu vũ trụ bay đang gần Mặt Trời nhất lịch sử, hứa hẹn giải mã bí ẩn kéo dài hơn 100 năm

Dữ liệu thu thập ở khoảng cách chưa từng có từ tàu thám hiểm Parker Solar Probe đang giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn cách gió Mặt Trời được làm nóng và tăng tốc. Những phát hiện này không chỉ cải thiện khả năng dự báo thời tiết không gian, mà còn mở rộng hiểu biết của con người về cách plasma – trạng thái vật chất gồm các hạt tích điện nóng – vận hành quanh các ngôi sao và trong vũ trụ.

Các phép đo cận cảnh từ Parker Solar Probe của NASA mang lại cái nhìn chi tiết chưa từng có về cách gió Mặt Trời hấp thụ năng lượng rồi lao vút ra khỏi Mặt Trời. Kết quả nghiên cứu, công bố trên tạp chí Geophysical Research Letters , đã giải quyết một phần những câu hỏi tồn tại lâu nay về cách năng lượng và vật chất di chuyển trong nhật quyển – vùng không gian rộng lớn chịu ảnh hưởng trực tiếp từ hoạt động của Mặt Trời.

Nhật quyển mở rộng vượt xa quỹ đạo Trái Đất và Mặt Trăng, tác động đến mọi hành tinh trong Hệ Mặt Trời và vươn tới cả không gian liên sao. Bất kỳ thay đổi nào trong khu vực này cũng có thể kích hoạt các hiện tượng thời tiết không gian mạnh mẽ.

Kristopher Klein, phó giáo sư tại Phòng thí nghiệm Mặt Trăng và Hành tinh thuộc Đại học Arizona, người dẫn đầu nghiên cứu, cho biết trong bối cảnh xã hội ngày càng phụ thuộc vào công nghệ, việc hiểu rõ tác động của Mặt Trời – ngôi sao chúng ta đang “sống chung” – trở nên đặc biệt quan trọng.

Một ví dụ điển hình là hiện tượng phóng khối lượng vành nhật hoa (coronal mass ejection), khi Mặt Trời ném một lượng lớn vật chất trong khí quyển của nó vào không gian. Những đợt bùng phát này chứa các hạt tích điện di chuyển cực nhanh, có thể va chạm với từ trường Trái Đất, làm gián đoạn vệ tinh và tín hiệu vô tuyến. Chúng cũng có thể làm tăng mức phơi nhiễm bức xạ đối với hành khách trên các chuyến bay qua vùng cực.

Vì sao khí quyển Mặt Trời lại quan trọng với Trái Đất?

Theo Klein, nếu chúng ta hiểu rõ hơn về khí quyển Mặt Trời – môi trường mà các hạt năng lượng cao di chuyển qua – khả năng dự báo quỹ đạo và tác động của các vụ phun trào khi chúng lan khắp Hệ Mặt Trời và tiến về phía Trái Đất sẽ chính xác hơn nhiều.

Dù khó hình dung Mặt Trời có “khí quyển” vì nó thực chất là một khối plasma khổng lồ không có bề mặt rắn, nhiều thập kỷ nghiên cứu đã cho thấy cấu trúc bên trong của nó khá rõ ràng. Ở trung tâm là lõi, nơi các nguyên tử hydro hợp nhất thành heli, giải phóng năng lượng duy trì sự tồn tại của Mặt Trời và tỏa ra không gian.

Bao quanh lõi là nhiều lớp khác nhau, trong đó lớp ngoài cùng tạo thành khí quyển Mặt Trời. Quang quyển là lớp có thể quan sát bằng mắt thường, nơi xuất hiện các vết đen Mặt Trời. Phía trên là sắc quyển – một vùng mỏng có thể tạo ra các tia lóe Mặt Trời và tạo nên vẻ lốm đốm khi quan sát bằng kính thiên văn chuyên dụng. Xa hơn nữa là vành nhật hoa (corona), một quầng plasma mờ nhạt thường bị ánh sáng chói lóa của Mặt Trời che khuất và chỉ nhìn thấy rõ trong các lần nhật thực toàn phần.

Kể từ khi phóng vào năm 2018, Parker Solar Probe đã tiến gần Mặt Trời hơn bất kỳ tàu vũ trụ nào trước đó. Sau quỹ đạo phức tạp với bảy lần hỗ trợ hấp dẫn từ sao Kim, tàu đạt điểm tiếp cận gần nhất đầu tiên vào đêm Giáng sinh năm 2024. Những lần tiếp cận lặp lại này cho phép các nhà khoa học vẽ lại “ranh giới ngoài” của Mặt Trời theo cách trước đây là bất khả thi.

Nghịch lý nhiệt độ trong vành nhật hoa

Một trong những bí ẩn lớn nhất của Mặt Trời nằm ở mô hình nhiệt độ của nó. Khi plasma di chuyển ra ngoài từ lõi, nhiệt độ giảm mạnh từ khoảng 27 triệu độ F xuống còn khoảng 10.000 độ F tại quang quyển. Nhưng sau đó, thay vì tiếp tục nguội đi, nhiệt độ lại tăng vọt lên hơn 2 triệu độ F trong vành nhật hoa.

Hiện tượng nóng lên bất ngờ này được cho là bắt nguồn từ những tương tác phức tạp giữa các hạt tích điện và từ trường cực mạnh – vốn có thể xoắn, kéo giãn rồi bật ngược trở lại. Dù đã nghiên cứu nhiều thập kỷ, cơ chế chi tiết phía sau quá trình này vẫn chưa được giải thích trọn vẹn.

Klein cho biết các nhà khoa học biết rằng luôn tồn tại một nguồn nhiệt liên tục được bơm vào gió Mặt Trời, nhưng câu hỏi là cơ chế nào tạo ra sự gia nhiệt đó. Trước đây, họ chủ yếu dựa vào các mô hình đơn giản và mô phỏng máy tính. Nay, nhờ Parker Solar Probe và các phép đo phân bố vận tốc hạt ở khoảng cách cực gần, các mô hình này có thể được hiệu chỉnh chính xác hơn để tính toán trực tiếp quá trình gia nhiệt diễn ra ra sao.

Trước khi Parker thực hiện các lần tiếp cận táo bạo – được nhóm sứ mệnh ví như “hôn Mặt Trời” – dữ liệu thu thập được còn khá hạn chế. Lần bay gần nhất đưa tàu vào khoảng cách chỉ 3,8 triệu dặm so với bề mặt Mặt Trời. Trước đó, các nhà nghiên cứu chủ yếu phải dựa vào giả định đơn giản về cách các hạt tích điện phân bố trong không gian.

Mô hình mới viết lại hiểu biết về gió Mặt Trời

Một trong những câu hỏi trọng tâm là làm thế nào gió Mặt Trời được làm nóng khi nó tăng tốc rời khỏi bề mặt Mặt Trời. Với các phép đo và tính toán mới, nhóm nghiên cứu cho rằng họ đang “viết lại” hiểu biết về cách năng lượng di chuyển trong khí quyển ngoài của Mặt Trời.

Để làm được điều đó, nhóm của Klein đã phát triển một công cụ tính toán mang tên Arbitrary Linear Plasma Solver (ALPS). Công cụ này cho phép phân tích trực tiếp phân bố hạt thực tế mà Parker đo được, thay vì ép dữ liệu vào các mô hình lý tưởng hóa. Nhờ vậy, các nhà nghiên cứu có thể tính toán cách sóng lan truyền trong plasma và cách tốc độ gia nhiệt thay đổi khi các hạt lao ra ngoài.

Tại “điểm không thể quay lại” – nơi gió Mặt Trời tách hẳn khỏi lực hấp dẫn của Mặt Trời – các hạt bắt đầu nguội đi, nhưng chậm hơn nhiều so với dự đoán nếu chỉ xét đến sự giãn nở đơn thuần. Klein mô tả hiện tượng nguội chậm này là “giảm chấn” (damping), một manh mối quan trọng vẫn cần lời giải hoàn chỉnh.

Khi kết hợp ALPS với dữ liệu từ Parker, nhóm nghiên cứu có thể đo lường chính xác cách năng lượng được phân bổ giữa các loại hạt tích điện khác nhau trong gió Mặt Trời. Theo Klein, khả năng này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về Mặt Trời, mà còn có thể áp dụng cho nhiều môi trường vũ trụ khác chịu ảnh hưởng của plasma nóng và từ trường, như khí liên sao, đĩa bồi tụ quanh lỗ đen hay sao neutron.

Nếu giải mã được cơ chế tiêu tán năng lượng trong gió Mặt Trời, các nhà khoa học có thể mở rộng kiến thức đó sang những hệ thống thiên văn khác, nơi plasma đóng vai trò trung tâm trong việc hình thành và tiến hóa cấu trúc vũ trụ.