Từ trường của Trái Đất thỉnh thoảng bùng nổ thành bài hát — nhưng những sáng tác này được viết bằng bức xạ điện từ, không phải sóng âm.
Tuy nhiên, khi chuyển đổi thành tín hiệu âm thanh, những xung kỳ lạ này nghe giống như một điệp khúc cao trào của tiếng hót líu lo giống như tiếng chim hót buổi sáng, đó là lý do tại sao các nhà vật lý gọi những xung bức xạ ngắn và dữ dội này là "sóng điệp khúc". Mỗi xung bức xạ chỉ kéo dài vài phần mười giây, nhưng các tín hiệu có thể lặp lại trong nhiều giờ. Và, nghe có vẻ đẹp, sóng điệp khúc có thể cực kỳ nguy hiểm đối với vệ tinh trên quỹ đạo.
Một nhóm các nhà nghiên cứu, do nhà vật lý C.M. Liu thuộc Đại học Beihang ở Trung Quốc, gần đây đã đo được một đợt sóng hợp xướng xuất hiện từ một nơi không ngờ tới và xác nhận một phần quan trọng của lý thuyết về cách thức hình thành những đợt sóng kỳ lạ này.
Mọi sóng hợp xướng khác mà các nhà thiên văn học từng nghe thấy đều bắt đầu gần nhà hơn, cách Trái đất khoảng 31.690 dặm (51.000 km). Cao hơn quỹ đạo nơi bạn sẽ tìm thấy các vệ tinh địa tĩnh, nhưng vẫn đủ gần hành tinh để từ trường gọn gàng và có trật tự, giống như một thanh nam châm hơn. Xa hơn ở phía đuôi, các đường từ trường của Trái đất đã bị kéo dài và cong vênh thành thứ gì đó hỗn độn hơn nhiều. Các nhà vật lý không nghĩ rằng sóng hợp xướng có thể hình thành giữa mớ hỗn độn kéo dài của các đường sức từ ở đuôi — nhưng rõ ràng là điều đó có thể xảy ra.
"Phát hiện này không loại trừ lý thuyết hiện có, vì các gradient sức từ dự kiến vẫn có thể tồn tại, nhưng điều đó có nghĩa là các nhà khoa học cần phải xem xét kỹ hơn", nhà vật lý Richard Horne của Đại học Cambridge, người không tham gia vào nghiên cứu gần đây, đã viết trong bài báo bình luận về nó.
Các nhà thiên văn học đã bối rối về cơ chế chính xác đằng sau sóng hợp xướng trong khoảng 70 năm. Thỉnh thoảng, một nhóm electron quay cuồng qua từ trường của Trái đất và khi các electron quay, chúng giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ. Bức xạ đó tương tác với các electron khác (mà, nhờ vật lý lượng tử, cũng hoạt động giống như sóng một chút) và được khuếch đại thành những con sóng lớn hơn. Bởi vì các sóng bức xạ này hình thành dọc theo một từ trường, có cường độ và điện tích tạo thành một gradient trong không gian, các sóng kết thúc trong các đợt ngắn, mỗi đợt có tần số cao hơn đợt trước: giống như một điệp khúc đang lên.
Khi sóng điệp khúc hình thành, chuyển động của nó sẽ dồn các electron vào các điểm cụ thể dọc theo hình dạng của sóng. Nhưng nếu có các cụm ở một số nơi, thì cũng phải có các khoảng trống ở những nơi khác, và Liu cùng các đồng nghiệp vừa đo được một khoảng trống như vậy trong sóng điệp khúc của họ. Điều đó có thể gợi ý rằng toàn bộ mô hình về cách sóng điệp khúc hình thành phần lớn là đúng – ngoại trừ phần về nơi chúng có thể hình thành.
Nếu Liu và các đồng nghiệp đúng, sóng hợp xướng có thể hình thành ở hầu hết mọi nơi trong không gian, và không chỉ ở những nơi từ trường gọn gàng và không bị gió mặt trời bóp méo. Điều đó có nghĩa là chúng ta nên tìm kiếm sóng hợp xướng từ xa trong đuôi từ trường của Trái đất, không chỉ gần nhà. Và về mặt lý thuyết, sẽ có sóng hợp xướng trong từ trường của mọi hành tinh có sóng hợp xướng, ngay cả khi nó hơi lộn xộn (cho đến nay chúng đã được quan sát thấy xung quanh Sao Mộc và Sao Thổ).
Và việc hiểu rõ hơn một chút về những sóng này có thể giúp các nhà khoa học dự đoán tốt hơn thời điểm và địa điểm chúng sẽ xảy ra, cũng như mức độ mạnh của chúng. Điều đó có thể rất quan trọng đối với sự an toàn của các vệ tinh quay quanh hành tinh của chúng ta, vốn dễ bị ảnh hưởng bởi bão mặt trời và các vụ nổ bức xạ đột ngột khác từ không gian sâu thẳm.
"Những electron năng lượng cao này được gọi là 'electron sát thủ' vì chúng đã làm hỏng một số vệ tinh, gây thiệt hại hàng trăm triệu đô la", Horne viết. "Sóng hợp xướng hiện được đưa vào các mô hình dự báo được thiết kế để bảo vệ các vệ tinh này."
Tuy nhiên, khi chuyển đổi thành tín hiệu âm thanh, những xung kỳ lạ này nghe giống như một điệp khúc cao trào của tiếng hót líu lo giống như tiếng chim hót buổi sáng, đó là lý do tại sao các nhà vật lý gọi những xung bức xạ ngắn và dữ dội này là "sóng điệp khúc". Mỗi xung bức xạ chỉ kéo dài vài phần mười giây, nhưng các tín hiệu có thể lặp lại trong nhiều giờ. Và, nghe có vẻ đẹp, sóng điệp khúc có thể cực kỳ nguy hiểm đối với vệ tinh trên quỹ đạo.
Một nhóm các nhà nghiên cứu, do nhà vật lý C.M. Liu thuộc Đại học Beihang ở Trung Quốc, gần đây đã đo được một đợt sóng hợp xướng xuất hiện từ một nơi không ngờ tới và xác nhận một phần quan trọng của lý thuyết về cách thức hình thành những đợt sóng kỳ lạ này.
Lắng nghe âm nhạc của từ quyển
Bốn vệ tinh của sứ mệnh Đa thang từ quyển của NASA gần đây đã đo được một đợt sóng hợp xướng phát ra từ một điểm cách xa khoảng 102.526 dặm (165.000 km), nằm rất xa trong "đuôi" dài của từ trường Trái Đất. (Từ trường của hành tinh chúng ta trông rất giống từ trường xung quanh một thanh nam châm, nhưng các hạt tích điện trong gió mặt trời đẩy ngược lại từ trường, do đó, mặt hướng ra xa mặt trời bị kéo dài thành một cái đuôi dài).Mọi sóng hợp xướng khác mà các nhà thiên văn học từng nghe thấy đều bắt đầu gần nhà hơn, cách Trái đất khoảng 31.690 dặm (51.000 km). Cao hơn quỹ đạo nơi bạn sẽ tìm thấy các vệ tinh địa tĩnh, nhưng vẫn đủ gần hành tinh để từ trường gọn gàng và có trật tự, giống như một thanh nam châm hơn. Xa hơn ở phía đuôi, các đường từ trường của Trái đất đã bị kéo dài và cong vênh thành thứ gì đó hỗn độn hơn nhiều. Các nhà vật lý không nghĩ rằng sóng hợp xướng có thể hình thành giữa mớ hỗn độn kéo dài của các đường sức từ ở đuôi — nhưng rõ ràng là điều đó có thể xảy ra.
"Phát hiện này không loại trừ lý thuyết hiện có, vì các gradient sức từ dự kiến vẫn có thể tồn tại, nhưng điều đó có nghĩa là các nhà khoa học cần phải xem xét kỹ hơn", nhà vật lý Richard Horne của Đại học Cambridge, người không tham gia vào nghiên cứu gần đây, đã viết trong bài báo bình luận về nó.
Bảo vệ vệ tinh khỏi 'kẻ giết người electron'
Trên thực tế, khám phá này thực sự hỗ trợ một phần quan trọng của lý thuyết về cách sóng hợp xướng hoạt động. Sử dụng dữ liệu từ vệ tinh Đa vô hướng từ quyển, Liu và các đồng nghiệp đã đo sự phân bố của electron trong sóng hợp xướng và họ đã thấy một thứ mà các mô hình vật lý đã dự đoán trong nhiều thập kỷ: một lỗ hổng.Các nhà thiên văn học đã bối rối về cơ chế chính xác đằng sau sóng hợp xướng trong khoảng 70 năm. Thỉnh thoảng, một nhóm electron quay cuồng qua từ trường của Trái đất và khi các electron quay, chúng giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ. Bức xạ đó tương tác với các electron khác (mà, nhờ vật lý lượng tử, cũng hoạt động giống như sóng một chút) và được khuếch đại thành những con sóng lớn hơn. Bởi vì các sóng bức xạ này hình thành dọc theo một từ trường, có cường độ và điện tích tạo thành một gradient trong không gian, các sóng kết thúc trong các đợt ngắn, mỗi đợt có tần số cao hơn đợt trước: giống như một điệp khúc đang lên.
Khi sóng điệp khúc hình thành, chuyển động của nó sẽ dồn các electron vào các điểm cụ thể dọc theo hình dạng của sóng. Nhưng nếu có các cụm ở một số nơi, thì cũng phải có các khoảng trống ở những nơi khác, và Liu cùng các đồng nghiệp vừa đo được một khoảng trống như vậy trong sóng điệp khúc của họ. Điều đó có thể gợi ý rằng toàn bộ mô hình về cách sóng điệp khúc hình thành phần lớn là đúng – ngoại trừ phần về nơi chúng có thể hình thành.
Nếu Liu và các đồng nghiệp đúng, sóng hợp xướng có thể hình thành ở hầu hết mọi nơi trong không gian, và không chỉ ở những nơi từ trường gọn gàng và không bị gió mặt trời bóp méo. Điều đó có nghĩa là chúng ta nên tìm kiếm sóng hợp xướng từ xa trong đuôi từ trường của Trái đất, không chỉ gần nhà. Và về mặt lý thuyết, sẽ có sóng hợp xướng trong từ trường của mọi hành tinh có sóng hợp xướng, ngay cả khi nó hơi lộn xộn (cho đến nay chúng đã được quan sát thấy xung quanh Sao Mộc và Sao Thổ).
Và việc hiểu rõ hơn một chút về những sóng này có thể giúp các nhà khoa học dự đoán tốt hơn thời điểm và địa điểm chúng sẽ xảy ra, cũng như mức độ mạnh của chúng. Điều đó có thể rất quan trọng đối với sự an toàn của các vệ tinh quay quanh hành tinh của chúng ta, vốn dễ bị ảnh hưởng bởi bão mặt trời và các vụ nổ bức xạ đột ngột khác từ không gian sâu thẳm.
"Những electron năng lượng cao này được gọi là 'electron sát thủ' vì chúng đã làm hỏng một số vệ tinh, gây thiệt hại hàng trăm triệu đô la", Horne viết. "Sóng hợp xướng hiện được đưa vào các mô hình dự báo được thiết kế để bảo vệ các vệ tinh này."
