Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà nghiên cứu tìm thấy mưa trên mặt trời ở một nơi không ngờ tới. Những phát hiện có thể tạo ra một liên kết mới giữa hai trong số những bí ẩn lớn nhất trong vật lý mặt trời.
Trong năm tháng vào giữa năm 2017, Emily Mason đã làm điều tương tự mỗi ngày. Đến văn phòng của cô tại Trung tâm bay không gian Goddard của NASA ở Greenbelt, Maryland, cô ngồi ở bàn làm việc, mở máy tính và nhìn chằm chằm vào những hình ảnh của Mặt trời – cả ngày, mỗi ngày. “Tôi có thể đã xem qua dữ liệu của ba hoặc năm năm,” Mason ước tính. Sau đó, vào tháng 10 năm 2017, cô dừng lại. Cô nhận ra mình đã nhìn nhầm mọi thứ.
Mason, một sinh viên tốt nghiệp tại Đại học Công giáo Hoa Kỳ ở Washington, DC, đang tìm kiếm cơn mưa vành: những khối plasma khổng lồ, hoặc khí điện, chảy từ bầu khí quyển bên ngoài của Mặt trời trở lại bề mặt của nó. Nhưng cô dự kiến sẽ tìm thấy nó trong các bộ truyền phát Helmet streamer, các vòng từ tính cao hàng triệu dặm – được đặt tên giống với mũ bảo hiểm nhọn của một hiệp sĩ – có thể được nhìn thấy từ Mặt trời trong nhật thực. Mô phỏng máy tính dự đoán mưa Coronal có thể được tìm thấy ở đó. Quan sát gió mặt trời, khí thoát ra từ Mặt trời và ra ngoài vũ trụ, ám chỉ rằng mưa có thể xảy ra. Và nếu cô có thể tìm thấy nó, vật lý tạo mưa tiềm ẩn sẽ có ý nghĩa lớn đối với bí ẩn 70 năm về lý do tại sao bầu khí quyển bên ngoài của Mặt trời, được gọi là Corona, nóng hơn bề mặt của nó. Nhưng sau gần nửa năm tìm kiếm, Mason không thể tìm thấy nó. “Đó là rất nhiều tìm kiếm,” Mason nói, “cho một cái gì đó cuối cùng không bao giờ xảy ra.”
Vấn đề, hóa ra, không phải là thứ cô đang tìm, mà là ở đâu. Trong một bài báo được công bố ngày hôm nay trên Tạp chí Vật lý thiên văn , Mason và các đồng tác giả của cô đã mô tả những quan sát đầu tiên về mưa vành trong một loại vòng từ tính nhỏ hơn, bị bỏ qua trước đây trên Mặt trời. Sau một thời gian dài tìm kiếm sai hướng, những phát hiện đã tạo ra mối liên hệ mới giữa sự nóng lên bất thường của Corona và nguồn gió mặt trời chậm – hai trong số những bí ẩn lớn nhất đối với khoa học mặt trời ngày nay.
Quan sát qua các kính viễn vọng có độ phân giải cao gắn trên tàu vũ trụ SDO của NASA, Mặt trời – một quả cầu plasma nóng, có nhiều đường sức từ được vạch ra bởi các vòng khổng lồ, bốc lửa – dường như có rất ít điểm tương đồng vật lý với Trái đất. Nhưng hành tinh nhà của chúng ta cung cấp một vài hướng dẫn hữu ích trong việc phân tích sự hỗn loạn của Mặt trời: trong số đó, mưa.
Trên trái đất, mưa chỉ là một phần của chu kỳ nước lớn hơn, một cuộc chiến kéo dài vô tận giữa sự đẩy nhiệt và lực hấp dẫn. Nó bắt đầu khi nước lỏng, chảy trên bề mặt hành tinh trong các đại dương, hồ hoặc suối, được Mặt trời làm nóng. Một số trong đó bốc hơi và bay lên bầu khí quyển, nơi nó nguội đi và ngưng tụ thành mây. Cuối cùng, những đám mây đó trở nên đủ nặng để lực hút của trọng lực trở nên không thể cưỡng lại rồi nước rơi trở lại Trái đất khi mưa, trước khi quá trình bắt đầu lại.
Trên Mặt trời, Mason cho biết, mưa Coronal hoạt động tương tự, “nhưng thay vì nước 60 độ bạn đang xử lý với plasma hàng triệu độ.” Plasma, một loại khí tích điện, không bơi như nước, mà thay vào đó là dấu vết của các vòng từ tính nổi lên từ bề mặt của Mặt trời giống như tàu lượn siêu tốc trên đường ray. Tại các điểm chân của vòng lặp, nơi nó bám vào bề mặt của Mặt trời, plasma bị quá nhiệt từ vài nghìn đến hơn 1,8 triệu độ F. Sau đó, nó mở rộng vòng lặp và tập hợp tại đỉnh của nó, xa nguồn nhiệt. Khi plasma nguội đi, nó ngưng tụ và trọng lực dụ nó xuống chân của vòng như mưa Coronal.
Mason đang tìm kiếm mưa Coronal trong các bộ truyền phát Helmet streamer, nhưng động lực của cô để tìm kiếm có liên quan nhiều hơn đến chu trình làm nóng và làm mát cơ bản này hơn là mưa. Kể từ ít nhất là giữa những năm 1990, các nhà khoa học đã biết rằng các bộ truyền phát Helmet streamer là một nguồn của gió mặt trời chậm, một dòng khí tương đối chậm, dày đặc thoát ra khỏi Mặt trời tách biệt với đối tác chuyển động nhanh của nó. Nhưng các phép đo của khí gió mặt trời chậm cho thấy rằng nó đã từng được làm nóng đến mức cực độ trước khi làm mát và thoát khỏi Mặt trời. Quá trình sưởi ấm và làm mát theo chu kỳ sau cơn mưa vành, nếu nó xảy ra bên trong các bộ truyền phát Helmet streamer, sẽ là một phần của câu đố.
Một lý do khác liên quan đến vấn đề sưởi ấm vành – bí ẩn về cách thức và lý do tại sao bầu khí quyển bên ngoài của Mặt trời nóng hơn bề mặt của nó khoảng 300 lần. Đáng chú ý, các mô phỏng đã chỉ ra rằng mưa vành chỉ hình thành khi nhiệt được áp vào đáy của vòng lặp. “Nếu một vòng lặp có mưa vành trên nó, điều đó có nghĩa là 10% dưới cùng của nó, hoặc ít hơn, là nơi xảy ra hiện tượng nóng vành”, Mason nói. Các vòng mưa cung cấp một thanh đo, một điểm cắt để xác định nơi corona được làm nóng. Bắt đầu tìm kiếm của họ trong các vòng lặp lớn nhất mà họ có thể tìm thấy – các bộ truyền phát Helmet streamer khổng lồ – dường như là một mục tiêu khiêm tốn, và một mục tiêu sẽ tối đa hóa cơ hội thành công của họ.
Cô có dữ liệu tốt nhất cho công việc: Hình ảnh được chụp bởi Đài thiên văn Động lực học Mặt trời của NASA, hay SDO, một tàu vũ trụ đã chụp ảnh Mặt trời cứ sau 12 giây kể từ khi ra mắt vào năm 2010. Nhưng gần nửa năm sau khi tìm kiếm, Mason vẫn không quan sát một giọt mưa duy nhất trong một bộ truyền phát Helmet streamer. Tuy nhiên, cô đã nhận thấy một loạt các cấu trúc từ tính nhỏ, những cấu trúc mà cô không quen thuộc. “Chúng thật sự rất sáng và chúng cứ tiếp tục vẽ mắt tôi”, Mason nói. “Khi tôi cuối cùng đã nhìn vào chúng, chắc chắn rằng chúng có hàng chục giờ mưa cùng một lúc.”
Lúc đầu, Mason rất tập trung vào nhiệm vụ streamer (ánh sáng cực mạnh) mũ bảo hiểm của mình đến nỗi cô không làm gì được các quan sát. “Cô ấy đã đến cuộc họp nhóm và nói: ‘Tôi chưa bao giờ tìm thấy nó – Tôi thấy nó mọi lúc trong các cấu trúc khác, nhưng chúng không phải là những người truyền phát mũ bảo hiểm'”, Nicholeen Viall, một nhà khoa học năng lượng mặt trời tại Goddard, và một đồng tác giả của tờ giấy. “Và tôi nói, ‘Đợi … chờ đã. Bạn thấy nó ở đâu? Tôi không nghĩ có ai từng thấy điều đó trước đây!'”
Những cấu trúc này khác với các bộ truyền phát Helmet streamer theo nhiều cách. Nhưng điều nổi bật nhất về chúng là kích thước của chúng.
“Những vòng lặp này nhỏ hơn nhiều so với những gì chúng tôi đang tìm kiếm”, Spiro Antiochos, người cũng là nhà vật lý mặt trời tại Goddard và là đồng tác giả của bài báo nói. “Vì vậy, điều đó cho bạn biết rằng sự nóng lên của Corona là cục bộ hơn nhiều so với chúng ta nghĩ.”
Trong khi các phát hiện không nói chính xác làm thế nào Corona được làm nóng, “Chúng thực sự đẩy xuống sàn nơi có thể xảy ra hiện tượng nóng vành”, Mason nói. Cô đã tìm thấy mưa vòng mà đã cao khoảng 30.000 dặm, vỏn vẹn hai trăm chiều cao của một số các bộ truyền phát Helmet streamer ban đầu cô đang tìm kiếm. Và mưa ngưng tụ khu vực nơi sưởi ấm vành đai chính có thể xảy ra. “Chúng tôi vẫn không biết chính xác những gì làm nóng Corona, nhưng chúng tôi biết điều đó phải xảy ra trong lớp này”, Mason nói.
Nhưng một phần của các quan sát đã không đi đôi với các lý thuyết trước đây. Theo cách hiểu hiện tại, mưa Coronal chỉ hình thành trên các vòng kín, nơi plasma có thể tập hợp và làm mát mà không có bất kỳ phương tiện thoát hiểm nào. Nhưng khi Mason sàng lọc dữ liệu, cô phát hiện ra những trường hợp mưa đang hình thành trên các đường sức từ mở. Được neo vào Mặt trời chỉ ở một đầu, đầu kia của những đường trường mở này được đưa ra ngoài không gian và plasma ở đó có thể thoát ra trong gió mặt trời. Để giải thích sự bất thường, Mason và nhóm nghiên cứu đã đưa ra một lời giải thích khác – một kết nối mưa trên các cấu trúc từ tính nhỏ này với nguồn gốc của gió mặt trời chậm.
Trong lời giải thích mới, plasma mưa bắt đầu hành trình của nó trên một vòng khép kín, nhưng chuyển đổi – thông qua một quá trình được gọi là kết nối lại từ tính – đến một vòng mở. Hiện tượng xảy ra thường xuyên trên Mặt trời, khi một vòng khép kín va vào một đường trường mở và hệ thống tự quay lại. Đột nhiên, plasma quá nóng trên vòng kín tìm thấy chính nó trên một đường trường mở, giống như một đoàn tàu đã chuyển đường ray. Một số plasma đó sẽ nhanh chóng giãn nở, hạ nhiệt và rơi trở lại Mặt trời dưới dạng mưa vành. Nhưng những phần khác của nó sẽ thoát ra – hình thành, họ nghi ngờ, một phần của gió mặt trời chậm.
Mason hiện đang làm việc trên một mô phỏng máy tính của lời giải thích mới, nhưng cô cũng hy vọng rằng bằng chứng quan sát sắp tới có thể xác nhận nó. Giờ đây, Parker Solar thăm dò, được phóng vào năm 2018, đang di chuyển gần Mặt trời hơn bất kỳ tàu vũ trụ nào trước đó, nó có thể bay qua những cơn gió mặt trời chậm để có thể quay trở lại Mặt trời – có khả năng, là một trong những sự kiện mưa vành của Mason . Sau khi quan sát mưa Coron trên một đường trường mở, plasma đi ra, thoát ra khỏi gió mặt trời, thường sẽ bị mất cho hậu thế. Nhưng không còn nữa. “Có khả năng chúng ta có thể thực hiện kết nối đó với Parker Solar thăm dò và nói rằng, đó là nó,” Viall nói.
Đối với việc tìm mưa Coronal trong Helmet Streamer (ánh sáng cực mạnh)? Cuộc tìm kiếm vẫn tiếp tục. Các mô phỏng rất rõ ràng: mưa nên ở đó. “Có lẽ nó nhỏ đến mức bạn không thể nhìn thấy nó?” Antiochos nói. “Chúng tôi thực sự không biết.”
Nhưng sau đó, một lần nữa, nếu Mason đã tìm thấy những gì cô ấy đang tìm kiếm thì có lẽ cô ấy đã không thực hiện khám phá này – hoặc đã dành toàn bộ thời gian đó để tìm hiểu về dữ liệu mặt trời.
“Nghe có vẻ như một khẩu hiệu, nhưng thành thật mà nói đó là điều tôi thích nhất”, Mason nói. “Ý tôi là đó là lý do tại sao chúng tôi xây dựng một cái gì đó có nhiều hình ảnh của Mặt trời: Vì vậy, chúng tôi có thể nhìn vào chúng và tìm ra nó.”
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi Trung tâm bay không gian NASA / Goddard . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :