Tại sao vành đai bên ngoài mặt trời lại nóng hơn nhiều lõi bên trong?

Và các nhà khoa học vẫn đang cố gắng tìm hiểu lý do tại sao lớp vỏ ngoài này lại nóng hơn nhiều so với những gì ở bên trong.

Sau nhiều thập niên quan sát, mặt trời vẫn là một bí ẩn lớn đối với chúng ta. Ảnh: NASA SVS

Điều làm cho các nhà khoa học bối rối là: Vì nguồn nhiệt của mặt trời nằm ở tâm của mặt trời, nên nhiệt độ sẽ giảm khi di chuyển ra xa trung tâm. Nhưng đây không phải là những gì các nhà khoa học quan sát được. Họ không giải thích được tại sao vành corona bao quanh mặt trời nóng hơn nhiều so với các tầng khí khác ở bên trong. Và trước khi chúng ta tiếp tục, xin hãy nhớ rằng nhiệt độ thực ra là phép đo tốc độ di chuyển của các nguyên tử. Vì vậy, phương pháp của hầu hết các nhà vật lý nghiên cứu năng lượng mặt trời là tìm cách gia tốc loại vật chất này theo cách chúng di chuyển trong vành corona nóng bỏng.

Bí ẩn trường kì

Vành corona trong hiện tượng nhật thực, khi phần còn lại của mặt trời bị che khuất. Ảnh: NASA / Rami Daud

Dù nóng như vậy, vành corona thường không được nhìn thấy do độ sáng gắt của mặt trời. Ngay cả các công cụ tiên tiến cũng gặp khó khăn khi nghiên cứu vành corona mà không bị ánh sáng từ khắp bề mặt của mặt trời lấn át. Nhưng điều đó không có nghĩa là sự tồn tại của vành corona mới chỉ được phát hiện gần đây. Vành corona được quan sát trong những lần xuất hiện hiếm hoi của nhật thực toàn phần, vốn đã mê hoặc con người nhiều thiên niên kỷ. Năm 1869, các nhà thiên văn học đã tận dụng hiện tượng nhật thực để theo dõi lớp ngoài cùng của mặt trời. Họ thậm chí còn sử dụng một quang phổ kế để lấy được thông tin về loại vật chất khó nắm bắt trong ánh sáng chói lòa đó và phát hiện một đường xanh lục lạ, có vẻ như là một nguyên tố hoàn toàn mới: coronium. Bảy mươi năm sau, các nhà khoa học nhận ra đó thực ra là nguyên tố sắt quen thuộc, được nung nóng ở nhiệt độ cao chưa từng thấy: hàng triệu độ. Đây là nhiệt độ cao hơn hàng trăm lần nhiệt độ đo được ở bề mặt mặt trời và điều này thực sự rất khó hiểu.

Lý thuyết ban đầu cho rằng sóng âm (hãy coi vật chất của mặt trời bị nén lại và giãn nở như đàn accordion) có nhiệm vụ khuấy động vành corona theo cách mà một con sóng có thể ném nước vào bờ với tốc độ cao. Nhưng các tàu thăm dò mặt trời không thể tìm thấy những con sóng mang đủ năng lượng để giải thích cho sức nóng của vành corona.

Vì vậy, trong gần 150 năm qua, vành corona vẫn là một trong những bí ẩn nho nhỏ nhưng khó chịu của khoa học: các nhà khoa học khá chắc chắn rằng nhiệt độ họ quan sát được trên bề mặt mặt trời và trên vành corona là chính xác, và càng chắc chắn hơn về mặt vật lý học cơ bản rằng bạn càng ở xa nguồn nhiệt, như lửa trại, nhiệt độ càng giảm. Sự thật chắc chắn như vậy, nhưng lại không đưa ra được lời giải thích thỏa đáng.

Nam châm hoạt động như thế nào?

Mặt trời phát ra các tia lửa mặt trời mạnh mẽ, ảnh tổng hợp trong một năm quan sát. Ảnh: NASA GSFC/SDO/S. Wiessinger

Một phần là do chúng ta không thể hiểu được rất nhiều sự kiện nhỏ diễn ra trên mặt trời. Chúng ta biết mặt trời có nhiệm vụ sưởi ấm trái đất và làm điều đó bằng cách nào. Nhưng quy mô của các vật chất và lực lượng ở trên mặt trời lại không tồn tại trong phòng thí nghiệm và việc đến gần mặt trời để nghiên cứu chi tiết lại rất khó.

Ngày nay, để tìm ra câu trả lời cho hầu hết các câu hỏi về mặt trời, chúng ta đơn giản hóa mặt trời như một thỏi nam châm phức tạp. Trái đất cũng quay quanh từ trường của riêng mình. Nhưng Trái đất, dù có đại dương và mắc ma dưới lòng đất, vẫn đặc hơn nhiều so với mặt trời bởi mặt trời vốn chỉ là một quả bóng khí và plasma. Vì vậy, Trái đất quay tròn ít nhiều giống như một vật thể rắn.

Mặt trời thì không như vậy. Mặt trời quay tròn, nhưng vì không đặc, các cực và xích đạo của mặt trời quay với tốc độ khác nhau. Mặt trời cũng thổi vật chất lên xuống qua các lớp, giống như một nồi nước sôi. Kết quả là một mớ hỗn độn các đường từ trường. Các hạt tích điện tạo nên các lớp ngoài của mặt trời di chuyển trên các đường này giống như các đoàn tàu trên đường sắt cao tốc. Những đường này rối tung lên và kết nối lại, giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ (tia lửa mặt trời) hoặc để các vòng xoắn chứa đầy các hạt tích điện tự do bay vào không gian với tốc độ khó tin (gió mặt trời). Nhưng rất có thể bên dưới những gì chúng ta thấy là các vụ nổ nhiệt siêu nhỏ xảy ra gần như liên tục - những tia lửa nhỏ hàng chục triệu độ, khi kết hợp lại có thể làm tăng nhiệt độ của vành corona.

Lời giải thích từ lâu vẫn được chấp nhận là các lớp sóng. Sau cùng, nhiệt chính là các hạt di chuyển rất nhanh. Di chuyển càng nhanh, các hạt càng nóng. Giống cách một con sóng đại dương có thể khiến nước xô vào bờ biển ở tốc độ cao, các nhà khoa học nghĩ rằng các lớp sóng xuyên qua bên trong mặt trời có thể hất lớp ngoài của mặt trời ra ngoài. Nhưng từ nhiều thập niên, các nhà khoa học đã có thể đo được rằng sóng âm (coi các dao động truyền qua mặt trời giống như sóng âm truyền trong không khí) không mang đủ năng lượng để trở thành nguồn phát. Nhưng mặt trời có rất nhiều loại sóng khác nhau, vì vậy các loại sóng khác vẫn đang được nghiên cứu - bao gồm cả sóng Alfvén, vốn di chuyển trong plasma và dọc theo các đường từ trường, được các nhà vật lý nghiên cứu về năng lượng mặt trời quan tâm nhất.

Chúng ta có nhiều vệ tinh quan sát mặt trời, nhưng Tàu thăm dò mặt trời Parker mới chỉ bắt đầu nhiệm vụ của mình từ đầu năm nay. Nó sẽ tiếp tục quan sát mặt trời cho đến năm 2025. Các nhà khoa học hy vọng rằng với những quan sát mặt trời từ khoảng cách gần nhất có thể, chúng ta sẽ tìm được câu trả lời cho câu hỏi về các vụ nổ nhiệt siêu nhỏ hoặc sóng Alfvén hoặc cũng có thể là sự kết hợp phức tạp của cả hai.