Một luồng plasma xoắn ốc thoát ra khỏi mặt trời sau một vụ phun trào khối lượng vành nhật hoa (CME) đã được tàu thăm dò Solar Orbiter của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu ghi lại bằng video và có thể cung cấp những manh mối quan trọng về cách giải phóng năng lượng từ trường thúc đẩy gió mặt trời và các vụ phun trào khổng lồ trên mặt trời.
Luồng plasma xoắn ốc này đã được tàu thăm dò Solar Orbiter phát hiện vào ngày 12 tháng 10 năm 2022. Nó kéo dài hơn ba giờ, kéo dài tới 2 triệu km (1,3 triệu dặm), vận chuyển plasma và năng lượng từ trường ra khỏi mặt trời mặt trời.
Tàu thăm dò Solar Orbiter sử dụng thiết bị Metis, có một kính ngắm để chặn ánh sáng chói của mặt trời, cho phép tàu thăm dò Solar Orbiter chỉ nhìn thấy khí quyển bên ngoài mờ hơn của mặt trời, được gọi là vành nhật hoa, dưới cả ánh sáng khả kiến và tia cực tím. Đó là vành nhật hoa mỏng manh, chứa đầy những dải sáng, mà chúng ta có thể nhìn thấy từ Trái đất trong quá trình nhật thực toàn phần.
Các cấu trúc xoắn ốc đã từng được ghi lại bằng máy ảnh trong vành nhật hoa trước đây, nhưng chúng chưa bao giờ được quan sát chi tiết như vậy hoặc trong thời gian dài như vậy. Cách phát triển của luồng sáng này hiện đang cung cấp cho các nhà vật lý học mặt trời những manh mối về nguyên nhân thúc đẩy gió mặt trời và CME.
Liên quan: Mặt trời của Trái đất: Sự thật về tuổi tác, kích thước và lịch sử của mặt trời
Các nhà nghiên cứu do Paolo Romano thuộc Viện Vật lý thiên văn quốc gia tại Đài quan sát vật lý thiên văn Catania ở Ý dẫn đầu đã nghiên cứu luồng sáng xoắn ốc này và lần theo dấu vết của nó ngược về nguồn gốc của nó ở vành nhật hoa phía dưới.
Bức tranh mà họ trình bày là như thế này: Ở đáy vành nhật hoa, năng lượng từ được lưu trữ trong các đường sức từ căng. Vành nhật hoa đầy lỗ, giống như pho mát Thụy Sĩ, nơi các đường sức từ mở — điều này, chúng mở rộng ra ngoài không gian thay vì uốn cong trở lại bề mặt của mặt trời (gọi là quang quyển) theo một vòng khép kín.
Gió mặt trời thổi qua các lỗ vành nhật hoa này. Một hiện tượng được gọi là sự tái kết nối trao đổi diễn ra, đó là sự tái kết nối từ trường (nơi các đường sức từ bị đứt và sau đó tái kết nối, giải phóng năng lượng) giữa các từ trường mở và đóng ở phần dưới của vành nhật hoa. Các sự kiện tái kết nối mạnh nhất có thể giải phóng đủ năng lượng để tạo ra các đợt bùng phát mặt trời và các sợi từ phát nổ dẫn đến CME.
Ở quy mô nhỏ hơn, sự tái kết nối trao đổi cung cấp năng lượng cho một quần thể phản lực liên tục và toàn cầu truyền năng lượng vào vành nhật hoa và qua các lỗ vành nhật hoa. Các tia này cung cấp năng lượng cho sóng từ trong plasma mặt trời được gọi là sóng Alfvén, sau đó đẩy plasma xung quanh và xuyên qua các lỗ vành nhật hoa, trong quá trình này, vật chất bị đẩy ra khỏi gió mặt trời thổi qua các lỗ đó.
Vậy thì luồng xoắn ốc có tác dụng gì? Dựa trên các quan sát của Solar Orbiter và đối tác của nó, Parker Solar Probe của NASA — tiến gần đến mặt trời đến mức thực sự nhúng vào vành nhật hoa — các nhà vật lý năng lượng mặt trời đã tin rằng cấu trúc từ tính của plasma thoát ra từ sự kiện kết nối lại trao đổi lớn có dạng "dây thông lượng xoắn".
Dây thông lượng là một ống năng lượng từ đã phun trào trong một sợi dây tóc mặt trời, là một ren hoặc kênh plasma được giữ bởi các từ trường khép kín. Sự kết nối lại trao đổi giữa sợi dây tóc và các đường từ trường mở xung quanh giải phóng năng lượng cung cấp năng lượng cho CME, sự phóng ra kết quả là một luồng phản lực mạnh mẽ bùng nổ qua vành nhật hoa mặt trời và vào không gian, kéo theo plasma để tạo thành CME. Ống thông lượng này tạo thành tâm sáng của CME.
Và đó chính xác là những gì Solar Orbiter chứng kiến: ống thông lượng xoắn sau sự kiện kết nối lại trao đổi mạnh mẽ đã giải phóng một CME khổng lồ vào không gian.
Liên quan: Thời tiết không gian: Nó là gì và được dự đoán như thế nào?
Các bài viết liên quan:
— Solar Orbiter: Nhìn thấy mặt trời theo cách chưa từng thấy
— Phóng vật chất vành nhật hoa: Chúng là gì và chúng hình thành như thế nào?
— Tàu vũ trụ mặt trời liều lĩnh của NASA sống sót sau lần bay gần thứ 2 của mặt trời
Theo mô phỏng máy tính, bản chất xoắn của ống thông lượng là hậu quả tự nhiên của sự kết nối lại trao đổi kéo dài. Tuy nhiên, các quan sát của Solar Orbiter với Metis đã tiết lộ nhiều hơn. Độ nghiêng hoặc độ nghiêng của các đặc điểm xoắn trong ống thông lượng thoát ra giảm dần theo độ cao so với mặt trời, cho thấy các đường sức từ đang ngày càng thẳng hàng hơn theo hướng xuyên tâm với mặt trời khi chúng lan truyền ra ngoài hệ mặt trời. Các nhiễu loạn trong từ trường do luồng sóng mang theo sau đó có thể được khuếch đại khi chúng đi sâu vào không gian.
Nhóm của Romano suy đoán rằng chính những nhiễu loạn này có thể tạo ra các đường cong từ tính, trong đó hướng của từ trường trong gió mặt trời đột nhiên đảo ngược hướng đi trước khi tiếp tục di chuyển theo một kiểu chuyển động ngoằn ngoèo, như được nhìn thấy bởi cả Solar Orbiter và Parker Solar Probe.
Trong nhiều thập kỷ, những bí ẩn lớn nhất của mặt trời — ví dụ như cách vành nhật hoa nóng lên đến hơn một triệu độ C, và nguồn năng lượng để thúc đẩy gió mặt trời và CME đến từ đâu — là những bí mật được giữ kín. Bây giờ, khi Solar Orbiter và Parker Solar Probe đang tiến gần đến mặt trời nhất có thể, cuối cùng thì mặt trời cũng sẽ tiết lộ những bí ẩn lớn nhất của nó.
Bài báo nghiên cứu học thuật mô tả các quan sát của Solar Orbiter về dòng tia xoắn đã được công bố vào ngày 26 tháng 3 trên Tạp chí Vật lý thiên văn.
Luồng plasma xoắn ốc này đã được tàu thăm dò Solar Orbiter phát hiện vào ngày 12 tháng 10 năm 2022. Nó kéo dài hơn ba giờ, kéo dài tới 2 triệu km (1,3 triệu dặm), vận chuyển plasma và năng lượng từ trường ra khỏi mặt trời mặt trời.
Tàu thăm dò Solar Orbiter sử dụng thiết bị Metis, có một kính ngắm để chặn ánh sáng chói của mặt trời, cho phép tàu thăm dò Solar Orbiter chỉ nhìn thấy khí quyển bên ngoài mờ hơn của mặt trời, được gọi là vành nhật hoa, dưới cả ánh sáng khả kiến và tia cực tím. Đó là vành nhật hoa mỏng manh, chứa đầy những dải sáng, mà chúng ta có thể nhìn thấy từ Trái đất trong quá trình nhật thực toàn phần.
Các cấu trúc xoắn ốc đã từng được ghi lại bằng máy ảnh trong vành nhật hoa trước đây, nhưng chúng chưa bao giờ được quan sát chi tiết như vậy hoặc trong thời gian dài như vậy. Cách phát triển của luồng sáng này hiện đang cung cấp cho các nhà vật lý học mặt trời những manh mối về nguyên nhân thúc đẩy gió mặt trời và CME.
Liên quan: Mặt trời của Trái đất: Sự thật về tuổi tác, kích thước và lịch sử của mặt trời
Các nhà nghiên cứu do Paolo Romano thuộc Viện Vật lý thiên văn quốc gia tại Đài quan sát vật lý thiên văn Catania ở Ý dẫn đầu đã nghiên cứu luồng sáng xoắn ốc này và lần theo dấu vết của nó ngược về nguồn gốc của nó ở vành nhật hoa phía dưới.
Bức tranh mà họ trình bày là như thế này: Ở đáy vành nhật hoa, năng lượng từ được lưu trữ trong các đường sức từ căng. Vành nhật hoa đầy lỗ, giống như pho mát Thụy Sĩ, nơi các đường sức từ mở — điều này, chúng mở rộng ra ngoài không gian thay vì uốn cong trở lại bề mặt của mặt trời (gọi là quang quyển) theo một vòng khép kín.
Gió mặt trời thổi qua các lỗ vành nhật hoa này. Một hiện tượng được gọi là sự tái kết nối trao đổi diễn ra, đó là sự tái kết nối từ trường (nơi các đường sức từ bị đứt và sau đó tái kết nối, giải phóng năng lượng) giữa các từ trường mở và đóng ở phần dưới của vành nhật hoa. Các sự kiện tái kết nối mạnh nhất có thể giải phóng đủ năng lượng để tạo ra các đợt bùng phát mặt trời và các sợi từ phát nổ dẫn đến CME.
Ở quy mô nhỏ hơn, sự tái kết nối trao đổi cung cấp năng lượng cho một quần thể phản lực liên tục và toàn cầu truyền năng lượng vào vành nhật hoa và qua các lỗ vành nhật hoa. Các tia này cung cấp năng lượng cho sóng từ trong plasma mặt trời được gọi là sóng Alfvén, sau đó đẩy plasma xung quanh và xuyên qua các lỗ vành nhật hoa, trong quá trình này, vật chất bị đẩy ra khỏi gió mặt trời thổi qua các lỗ đó.
Vậy thì luồng xoắn ốc có tác dụng gì? Dựa trên các quan sát của Solar Orbiter và đối tác của nó, Parker Solar Probe của NASA — tiến gần đến mặt trời đến mức thực sự nhúng vào vành nhật hoa — các nhà vật lý năng lượng mặt trời đã tin rằng cấu trúc từ tính của plasma thoát ra từ sự kiện kết nối lại trao đổi lớn có dạng "dây thông lượng xoắn".
Dây thông lượng là một ống năng lượng từ đã phun trào trong một sợi dây tóc mặt trời, là một ren hoặc kênh plasma được giữ bởi các từ trường khép kín. Sự kết nối lại trao đổi giữa sợi dây tóc và các đường từ trường mở xung quanh giải phóng năng lượng cung cấp năng lượng cho CME, sự phóng ra kết quả là một luồng phản lực mạnh mẽ bùng nổ qua vành nhật hoa mặt trời và vào không gian, kéo theo plasma để tạo thành CME. Ống thông lượng này tạo thành tâm sáng của CME.
Và đó chính xác là những gì Solar Orbiter chứng kiến: ống thông lượng xoắn sau sự kiện kết nối lại trao đổi mạnh mẽ đã giải phóng một CME khổng lồ vào không gian.
Liên quan: Thời tiết không gian: Nó là gì và được dự đoán như thế nào?
Các bài viết liên quan:
— Solar Orbiter: Nhìn thấy mặt trời theo cách chưa từng thấy
— Phóng vật chất vành nhật hoa: Chúng là gì và chúng hình thành như thế nào?
— Tàu vũ trụ mặt trời liều lĩnh của NASA sống sót sau lần bay gần thứ 2 của mặt trời
Theo mô phỏng máy tính, bản chất xoắn của ống thông lượng là hậu quả tự nhiên của sự kết nối lại trao đổi kéo dài. Tuy nhiên, các quan sát của Solar Orbiter với Metis đã tiết lộ nhiều hơn. Độ nghiêng hoặc độ nghiêng của các đặc điểm xoắn trong ống thông lượng thoát ra giảm dần theo độ cao so với mặt trời, cho thấy các đường sức từ đang ngày càng thẳng hàng hơn theo hướng xuyên tâm với mặt trời khi chúng lan truyền ra ngoài hệ mặt trời. Các nhiễu loạn trong từ trường do luồng sóng mang theo sau đó có thể được khuếch đại khi chúng đi sâu vào không gian.
Nhóm của Romano suy đoán rằng chính những nhiễu loạn này có thể tạo ra các đường cong từ tính, trong đó hướng của từ trường trong gió mặt trời đột nhiên đảo ngược hướng đi trước khi tiếp tục di chuyển theo một kiểu chuyển động ngoằn ngoèo, như được nhìn thấy bởi cả Solar Orbiter và Parker Solar Probe.
Trong nhiều thập kỷ, những bí ẩn lớn nhất của mặt trời — ví dụ như cách vành nhật hoa nóng lên đến hơn một triệu độ C, và nguồn năng lượng để thúc đẩy gió mặt trời và CME đến từ đâu — là những bí mật được giữ kín. Bây giờ, khi Solar Orbiter và Parker Solar Probe đang tiến gần đến mặt trời nhất có thể, cuối cùng thì mặt trời cũng sẽ tiết lộ những bí ẩn lớn nhất của nó.
Bài báo nghiên cứu học thuật mô tả các quan sát của Solar Orbiter về dòng tia xoắn đã được công bố vào ngày 26 tháng 3 trên Tạp chí Vật lý thiên văn.