Giải mã bí ẩn tạo ra hiện tượng cực quang

Chúng ta biết nó được tạo ra bởi các hạt của các cơn bão mặt trời, được gia tốc dọc theo đường sức từ trường của Trái đất đến các vĩ độ cao hơn, nơi chúng đổ xuống tầng trên của bầu khí quyển. Ở đó, sự tương tác với các hạt trong khí quyển tạo ra những bức màn ánh sáng lung linh trên bầu trời.

Mới đây, lần đầu tiên các nhà khoa học đã chứng minh và xác nhận cơ chế mà gia tốc hạt xảy ra bằng cách tái tạo quá trình trong phòng thí nghiệm. Đúng như các nhà khoa học đã nghĩ đến, sóng điện từ mạnh được gọi là Alfvén gia tốc các electron dọc theo đường sức từ.

"Ý tưởng cho rằng những sóng này có thể cung cấp năng lượng cho các electron tạo ra cực quang đã có từ hơn 4 thập kỷ trước, nhưng đây là lần đầu tiên chúng tôi có thể xác nhận chắc chắn rằng nó đúng. Những thí nghiệm này cho phép chúng tôi thực hiện các phép đo quan trọng cho thấy các phép đo và lý thuyết không gian thực sự giải thích một cách chính xác mà cực quang được tạo ra", nhà vật lý Craig Kletzing từ Đại học Iowa (Mỹ) cho biết.

Trên thực tế, chúng ta đã biết về sóng Alfvén từ lâu. Chúng được kỹ sư điện người Thụy Điển Hannes Alfvén mô tả lần đầu tiên vào năm 1942 là sóng ngang trong chất lỏng điện lan truyền dọc theo các đường sức từ. Những sóng như vậy là một cơ chế quan trọng để vận chuyển năng lượng và động lượng trong các hệ thống từ động lực học. Điều đó có nghĩa là, chúng có thể tăng tốc các hạt.

Sóng Alfvén đã được quan sát thấy trong các đường sức từ của Trái đất và tàu vũ trụ thậm chí đã quan sát được sóng Alfvén của Trái đất trên cực quang. Người ta chấp nhận rộng rãi rằng sóng Alfvén đóng một vai trò trong gia tốc electron cực quang nhưng việc xác định vai trò chính xác lại không đơn giản.

Vì vậy, một nhóm các nhà khoa học do nhà vật lý Jim Schroeder của Trường Cao đẳng Wheaton dẫn đầu đã sử dụng Thiết bị Plasma Lớn (LAPD) tại Đại học California Los Angeles (Mỹ) để xem xét kỹ hơn hiện tượng này. Đây là một buồng chân không hình trụ dài 20 mét có đường kính 1 mét, có từ trường cực mạnh.

"Thí nghiệm đầy thử thách này yêu cầu đo một quần thể rất nhỏ các electron di chuyển xuống buồng LAPD với tốc độ gần bằng tốc độ của sóng Alfvén với số lượng ít hơn một phần nghìn electron trong plasma", nhà vật lý Troy Carter của UCLA cho biết.

Nhóm nghiên cứu đã tạo ra sóng Alfvén trong plasma trong LAPD, đồng thời đo sự phân bố vận tốc electron trong các điều kiện liên quan đến sự hình thành cực quang. Kết quả họ phát hiện ra rằng sóng Alfvén truyền năng lượng cho các điện tử với sự cộng hưởng với sóng với một vận tốc tương tự như vận tốc pha của sóng.

Nhà vật lý Greg Howes của Đại học Iowa giải thích: "Các phép đo cho thấy quần thể nhỏ các electron này trải qua "gia tốc cộng hưởng" bởi điện trường của sóng Alfvén, tương tự như một người lướt sóng bắt được sóng và liên tục được gia tốc khi người lướt sóng di chuyển theo làn sóng".

Quá trình này được gọi là sự tắt dần Landau, bởi sự truyền năng lượng từ sóng sang hạt làm giảm sóng, ngăn cản sự bất ổn định.

Theo phân tích của nhóm nghiên cứu, dấu hiệu được tạo ra bởi vận tốc electron là dấu hiệu được biết đến cho sự tắt dần Landau, cho thấy gia tốc cộng hưởng đã xảy ra.

Sau đó, so sánh kết quả của họ với cực quang mô hình, nhóm nghiên cứu đã có thể chứng minh rằng tốc độ cung cấp năng lượng của các electron phù hợp với hiện tượng tắt dần Landau trong thực tế.

"Sự thống nhất về tốc độ cung cấp năng lượng trên mỗi electron giữa thí nghiệm và mô hình cực quang, thiết lập mối liên hệ cuối cùng cần thiết cho thấy chúng tôi đã cung cấp xác nhận thực nghiệm trực tiếp rằng sóng Alfvén có thể tăng tốc các electron kết tủa vào tầng điện ly và tạo ra ánh sáng hấp dẫn của cực quang như chúng ta vẫn thấy", các nhà nghiên cứu cho hay.