Tại sao bầu khí quyển của Mặt trời nóng hơn bề mặt của nó hàng trăm lần?

Bề mặt có thể nhìn thấy của Mặt trời, hay quang quyển, là khoảng 6.000 ⁰C. Nhưng cách nó vài nghìn km - một khoảng cách nhỏ khi chúng ta xem xét kích thước của Mặt trời - bầu khí quyển của Mặt trời, còn được gọi là hào quang, nóng hơn hàng trăm lần, lên tới một triệu độ C hoặc cao hơn.

Sự gia tăng nhiệt độ này, bất chấp khoảng cách tăng lên so với nguồn năng lượng chính của Mặt trời, đã được quan sát thấy ở hầu hết các ngôi sao.

Năm 1942, nhà khoa học Thụy Điển Hannes Alfvén đã đưa ra giả thuyết rằng, các sóng từ hóa của plasma có thể mang một lượng lớn năng lượng dọc theo từ trường của Mặt trời từ bên trong đến vành nhật hoa, vượt qua quang quyển trước khi bùng nổ với sức nóng trong tầng khí quyển phía trên của Mặt trời.

Giả thuyết này đã được chấp nhận một cách tạm thời, nhưng chưa có bằng chứng cho thấy những sóng này tồn tại. Nghiên cứu gần đây của các nhà khoa học cuối cùng đã xác thực giả thuyết gần 80 năm qua của Alfvén và đưa chúng ta tiến một bước gần hơn đến việc khai thác hiện tượng năng lượng cao này trên Trái đất.

Mặt trời được cấu tạo gần như hoàn toàn bằng plasma

Các vấn đề nóng hào quang đã được đề ra từ cuối năm 1930, khi nhà quang phổ học Thụy Điển Bengt Edlén và vật lý thiên văn người Đức Walter Grotrian đầu tiên quan sát được hiện tượng trong vầng hào quang của mặt trời chỉ có thể có mặt nếu nhiệt độ của nó là một vài triệu độ C .

Điều này thể hiện nhiệt độ nóng hơn tới 1.000 lần so với quang quyển bên dưới nó, là bề mặt của Mặt trời mà chúng ta có thể nhìn thấy từ Trái đất. Việc ước tính nhiệt của quang quyển luôn tương đối đơn giản: chúng ta chỉ cần đo ánh sáng chiếu tới chúng ta từ Mặt trời và so sánh nó với các mô hình quang phổ dự đoán nhiệt độ của nguồn sáng.

Qua nhiều thập kỷ nghiên cứu, nhiệt độ của quang quyển luôn được ước tính vào khoảng 6.000 ⁰C. Phát hiện của Edlén và Grotrian rằng vầng hào quang của Mặt trời nóng hơn rất nhiều so với quang quyển - mặc dù ở xa hơn lõi của Mặt trời, nguồn năng lượng tối cao của nó - đã khiến cộng đồng khoa học phải đau đầu.

Các nhà khoa học đã xem xét các đặc tính của Mặt trời để giải thích sự khác biệt này. Mặt trời được cấu tạo gần như hoàn toàn bằng plasma, là chất khí bị ion hóa cao mang điện tích. Sự chuyển động của plasma này trong vùng đối lưu - phần trên của mặt trời - tạo ra các dòng điện khổng lồ và từ trường mạnh.

Sau đó, các từ trường này được kéo lên từ bên trong Mặt trời bằng cách đối lưu, và chui vào bề mặt nhìn thấy của nó dưới dạng các vết đen mặt trời , là những cụm từ trường có thể tạo thành nhiều cấu trúc từ tính khác nhau trong khí quyển Mặt trời.

Alfvén lý luận rằng bên trong plasma từ hóa của Mặt trời, bất kỳ chuyển động lớn nào của các hạt mang điện sẽ làm nhiễu loạn từ trường, tạo ra các sóng có thể mang một lượng năng lượng khổng lồ dọc theo khoảng cách rộng lớn (từ bề mặt Mặt trời đến tầng khí quyển của nó) . Nhiệt truyền dọc theo cái được gọi là ống thông lượng từ mặt trời trước khi bùng phát vào vành nhật hoa, tạo ra nhiệt độ cao của nó.

Đo được nhiệt độ Mặt trời bằng máy quang phổ hình ảnh

Những sóng plasma từ tính này ngày nay được gọi là sóng Alfvén và việc giải thích sự nóng lên của vòng tròn đã dẫn đến việc Alfvén được trao giải Nobel Vật lý năm 1970 .

Máy đo phổ đô thị Bidimetric giao thoa (IBIS) cho quang phổ hình ảnh, được lắp đặt tại Kính viễn vọng Mặt trời Dunn ở bang New Mexico của Mỹ. Công cụ này đã cho phép các nhà nghiên cứu thực hiện các quan sát và đo đạc chi tiết hơn về Mặt trời.

Kết hợp với điều kiện quan sát tốt, mô phỏng máy tính tiên tiến và nỗ lực của một nhóm các nhà khoa học quốc tế từ bảy cơ quan nghiên cứu, họ đã sử dụng IBIS để xác nhận lần đầu tiên sự tồn tại của sóng Alfvén trong các ống thông lượng từ mặt trời.

Các nhà nghiên cứu cũng mong đợi sẽ sớm có thêm những khám phá về năng lượng mặt trời, nhờ vào các nhiệm vụ và công cụ mới, mang tính đột phá. Vệ tinh Quỹ đạo Mặt trời của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu hiện đang ở trên quỹ đạo xung quanh Mặt trời, cung cấp hình ảnh và thực hiện các phép đo về các vùng cực chưa được thăm dò của ngôi sao. Việc ra mắt kính thiên văn Mặt trời hiệu suất cao mới cũng được kỳ vọng sẽ nâng cao khả năng quan sát của chúng ta về Mặt trời từ Trái đất.