Một bước tiến mới để dự báo được những cơn bão từ Mặt trời

Những quan sát mang tính đột phá về từ trường Mặt trời

Lần đầu tiên, các nhà khoa học đã tiến hành đo gần như hằng ngày từ trường vành nhật hoa toàn bộ Mặt trời—một khu vực trước đây chỉ được quan sát một cách rời rạc. Những quan sát này cung cấp những hiểu biết quan trọng về các quá trình đằng sau những cơn bão Mặt trời ảnh hưởng đến các công nghệ quan trọng và tác động đến cuộc sống trên Trái đất.

Một phân tích về dữ liệu, được thu thập trong hơn tám tháng bởi một thiết bị có tên là Máy đo phân cực đa kênh vành nhật hoa nâng cấp (UCoMP), đã được trình bày chi tiết trên tạp chí Science xuất bản vào tháng 10.

Từ trường Mặt trời là động lực chính của các cơn bão Mặt trời, có thể gây ra mối đe dọa đối với lưới điện, hệ thống thông tin liên lạc và các công nghệ trong không gian như GPS. Tuy nhiên, khả năng hiểu cách từ trường tích tụ năng lượng rồi bùng phát trên Mặt trời của chúng ta đã bị hạn chế bởi nhiều thách thức khi quan sát nó trong vành nhật hoa, tầng khí quyển trên của Mặt trời.

Những tiến bộ trong Đo từ trường Mặt trời

Đo từ tính của khu vực thông qua các phương pháp phân cực chuẩn thường đòi hỏi thiết bị lớn, đắt tiền mà cho đến nay chỉ có thể nghiên cứu các phân đoạn nhỏ của vành nhật hoa. Tuy nhiên, việc kết hợp sử dụng địa chấn vành nhật hoa và quan sát UCoMP giúp các nhà nghiên cứu có thể đưa ra góc nhìn ổn định và toàn diện về từ trường của toàn bộ vành nhật hoa mà người ta nhìn thấy trong nhật thực.

Tác giả chính Zihao Yang đã theo đuổi nghiên cứu này với tư cách là nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Bắc Kinh, Trung Quốc và hiện là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Trung tâm Nghiên cứu Khí quyển Quốc gia Mỹ (NSF NCAR). Yang cho biết: "Bản đồ về từ trường toàn bộ vành nhật hoa là một phần còn thiếu lớn trong nghiên cứu về Mặt trời. Chính vì vậy, nghiên cứu này đang giúp lấp đầy một khoảng trống quan trọng trong hiểu biết của chúng ta về từ trường vành nhật hoa, nguồn năng lượng cho các cơn bão có thể tác động đến Trái đất.”.

Nhóm nghiên cứu quốc tế bao gồm các nhà nghiên cứu đến từ Đại học Northumbria, Vương quốc Anh; NSF NCAR; Đại học Bắc Kinh, Trung Quốc; và Đại học Michigan. Nghiên cứu được tài trợ bởi Quỹ khoa học tự nhiên quốc gia Trung Quốc và Chương trình nghiên cứu và phát triển trọng điểm quốc gia Trung Quốc. Thiết bị UCoMP được phát triển với sự hỗ trợ từ Quỹ khoa học quốc gia Mỹ (NSF) và được NSF NCAR vận hành tại Đài quan sát mặt trời Mauna Loa.

Khả năng nâng cao của thiết bị UCoMP

Mặc dù các nhà khoa học có thể thường xuyên đo từ trường trên bề mặt Mặt trời, được gọi là quang quyển, lâu nay việc đo từ trường vành nhật hoa mờ hơn vẫn rất khó khăn. Điều này đã hạn chế sự hiểu biết sâu sắc hơn về cấu trúc ba chiều và sự tiến hóa của từ trường vành nhật hoa, nơi hình thành các cơn bão mặt trời.

Để đo từ trường vành nhật hoa ba chiều một cách sâu sắc, cần có các kính thiên văn lớn như Kính thiên văn Mặt trời Daniel K. Inouye (DKIST) của NSF. Với khẩu độ đường kính 4 mét, DKIST là kính thiên văn mặt trời lớn nhất thế giới và gần đây đã chứng minh được khả năng đột phá của nó trong việc quan sát chi tiết từ trường vành nhật hoa. Tuy nhiên, DKIST không thể lập bản đồ toàn bộ vành nhật hoa trên Mặt trời cùng một lúc. Thiết bị UCoMP nhỏ hơn thực sự phù hợp hơn để cung cấp cho các nhà khoa học hình ảnh toàn cảnh về từ trường vành nhật hoa nhưng lại có độ phân giải thấp hơn. Do đó, các quan sát từ cả hai nguồn đều bổ sung rất nhiều cho góc nhìn toàn diện về từ trường vành nhật hoa.

UCoMP chủ yếu là một corona-graph, một thiết bị sử dụng đĩa để chặn ánh sáng từ Mặt trời, tương tự như nhật thực, giúp quan sát vành nhật hoa dễ dàng hơn. Nó cũng kết hợp một máy đo phân cực Stokes, chụp ảnh các thông tin quang phổ khác như cường độ đường vành nhật hoa và vận tốc Doppler. Mặc dù UCoMP có khẩu độ nhỏ hơn nhiều (20 cm), nhưng nó có góc nhìn rộng hơn, giúp quan sát toàn bộ Mặt trời vào hầu hết các ngày.

Các nhà nghiên cứu đã áp dụng một phương pháp gọi là địa chấn vành nhật hoa để theo dõi sóng ngang từ thủy động lực học (MHD) trong dữ liệu UCoMP. Sóng MHD cung cấp cho họ thông tin giúp tạo ra bản đồ hai chiều về cường độ và hướng của từ trường vành nhật hoa.

Vào năm 2020, một nghiên cứu trước đó đã sử dụng phương pháp cũ với UCoMP và phương pháp địa chấn vành nhật hoa để tạo ra bản đồ đầu tiên về từ trường của toàn bộ vành nhật hoa. Đây là một bước quan trọng hướng tới các phép đo từ trường vành nhật hoa thường xuyên. UCoMP đã mở rộng các khả năng giúp có thể thực hiện các phép đo thường xuyên và chi tiết hơn. Trong quá trình nghiên cứu của UCoMP, nhóm nghiên cứu đã tạo ra 114 bản đồ từ trường từ giữa tháng 2 và tháng 10.2022, hoặc gần như cách ngày một bản.

Yang cho biết: "Chúng ta đang bước vào kỷ nguyên mới của nghiên cứu vật lý mặt trời, nơi chúng ta có thể đo từ trường vành nhật hoa thường xuyên".

Những hiểu biết mới và định hướng tương lai

Các quan sát cũng tạo ra các phép đo đầu tiên về từ trường vành nhật hoa ở các vùng cực của Mặt trời. Các cực của Mặt trời chưa bao giờ được quan sát trực tiếp vì bề mặt cong của Mặt trời gần các cực khiến nó nằm bên ngoài tầm nhìn của chúng ta từ Trái đất. Mặc dù các nhà nghiên cứu không trực tiếp quan sát các cực, nhưng lần đầu tiên họ có thể đo được từ tính phát ra từ đó. Điều này một phần là bởi chất lượng dữ liệu được cải thiện do UCoMP cung cấp và do bức xạ Mặt trời gần đạt cực đại. Các bức xạ yếu thường thấy từ vùng cực đã mạnh hơn nhiều, giúp dễ dàng thu được kết quả từ trường vành nhật hoa ở các vùng cực.

Là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại NSF NCAR, Yang sẽ tiếp tục nghiên cứu về từ trường của Mặt trời; Yang hy vọng sẽ cải thiện các mô hình vành nhật hoa hiện có dựa trên các phép đo quang quyển. Vì phương pháp hiện tại được sử dụng với UCoMP chỉ giới hạn ở hai chiều nên vẫn chưa nắm bắt được toàn bộ từ trường ba chiều. Yang và các đồng nghiệp hy vọng có thể kết hợp nghiên cứu của họ với các kỹ thuật khác để hiểu sâu hơn về toàn bộ vectơ từ trường trong vành nhật hoa.

Chiều thứ ba của từ trường, được định hướng dọc theo đường ngắm của người xem, có tầm quan trọng đặc biệt để hiểu cách vành nhật hoa được cung cấp năng lượng dẫn đến phun trào mặt trời. Cuối cùng, cần kết hợp kính thiên văn lớn và các quan sát toàn cầu để đo tất cả các vòng xoắn và rối ba chiều đằng sau các hiện tượng như phun trào mặt trời. Để thực hiện điều này, Đài quan sát từ trường Mặt trời vành nhật hoa (COSMO) đang đề xuất lắp một kính viễn vọng khúc xạ Mặt trời có đường kính 1,5 mét, dự án đang trong quá trình nghiên cứu thiết kế cuối cùng.

Sarah Gibson, Trưởng nhóm phát triển COSMO và là đồng tác giả khoa học của NSF NCAR về công trình vừa xuất bản trên tạp chí Science cho biết: “Vì từ trường vành nhật hoa là lực đẩy khối lượng từ Mặt trời ra không gian trong hệ Mặt trời, nên chúng ta phải quan sát nó ở dạng 3D và quan sát ở mọi nơi cùng một lúc, trên toàn bộ vành nhật hoa. Công trình của Yang đại diện cho một bước tiến lớn trong khả năng hiểu được cách từ trường của toàn bộ vành nhật hoa thay đổi theo từng ngày. Điều này rất quan trọng đối với khả năng dự đoán và chuẩn bị tốt hơn cho các cơn bão Mặt trời, vốn là mối nguy hiểm ngày càng gia tăng đối với cuộc sống của chúng ta trên Trái đất”.