Giải mã bí mật cực quang trên bầu trời

Đây là hiện tượng mà chỉ ở vĩ độ cao mới có thể chứng kiến và nó đã khiến các nhà khoa học phải ngạc nhiên. Bí ẩn xung quanh nguyên nhân gây ra ánh sáng phía Bắc đã được suy đoán nhưng đến bây giờ nó mới được chứng minh.

Sóng điện từ

Theo một nghiên cứu mới được công bố, nhóm các nhà vật lý từ Đại học Iowa và Weaton (Mỹ) cuối cùng đã chứng minh được “cực quang rực rỡ nhất được tạo ra bởi sóng điện từ mạnh trong các cơn bão địa từ”. Tác giả chính của nghiên cứu là James Schroeder của Đại học Weaton.

Nghiên cứu chỉ ra những hiện tượng còn được gọi là sóng Alfven này đã khiến các electron tăng tốc về phía Trái đất, làm cho các hạt phát ra ánh sáng mà chúng ta gọi là ánh sáng phương Bắc.

“Các phép đo cho thấy quần thể nhỏ các electron này trải qua “gia tốc cộng hưởng” bởi điện trường của sóng Alfven, tương tự như một người lướt sóng bắt được sóng biển và liên tục được tăng tốc khi di chuyển theo làn sóng” – Đồng tác giả, Phó Giáo sư Greg Howes tại Khoa Vật lý và Thiên văn học của Đại học Iowa cho hay.

Khi những electron này đến tầng khí quyển mỏng phía trên của Trái đất, chúng va chạm với các phân tử ni tơ và oxy, khiến chúng rơi vào trạng thái kích thích. Sự kích thích của các electron này sau đó “nguội dần” và giải phóng ánh sáng, đó là những gì chúng ta thấy như là cực quang.

Ý tưởng về các electron “lướt” trên điện trường là một lý thuyết được nhà vật lý Nga Lev Landau đưa ra lần đầu tiên vào năm 1946 và đến nay lý thuyết của ông mới được chứng minh.

Tái tạo trong phòngthí nghiệm

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã biết về khả năng cao nhất về cách thức cực quang có thể được tạo ra, nhưng giờ đây, lần đầu tiên họ có thể mô phỏng nó trong một phòng thí nghiệm tại Thiết bị Plasma lớn (LDP) thuộc Cơ sở Khoa học Plasma Cơ bản của ĐH California ở Los Angeles (UCLA).

Các nhà khoa học đã sử dụng một buồng dài 20 mét để tái tạo từ trường Trái đất bằng cách dùng các cuộn từ trường mạnh trên LPD vủa UCLA. Trong buồng này, các nhà khoa học đã tạo ra một loại plasma tương tự như những gì tồn tại trong không gian gần Trái đất.

“Sử dụng một ăng-ten được thiết kế đặc biệt, chúng tôi phóng sóng Alfven xuống máy, giống như lắc một vòi phun nước tưới cây lên xuống một cách nhanh chóng và quan sát sóng nước di chuyển dọc theo vòi”, Phó Giáo sư Howes nói. Khi bắt đầu trải nghiệm các electrons “lướt” theo sóng này, họ sử dụng một dụng cụ chuyên dụng khác để đo cách các electron đó nhận được năng lượng từ sóng Alfven.

Mặc dù thử nghiệm trên không tái tạo được ánh sáng lung linh đầy màu sắc như cực quang mà chúng ta nhìn thấy trên bầu trời phương Bắc, nhưng “các phép đo của chúng tôi trong phòng thí nghiệm rõ ràng đồng nhất với các dự đoán từ mô phỏng máy tính và toán học. Theo đó, chứng minh các electron lướt trên sóng Alfven có thể được tăng tốc (lên tới tốc độ 72 triệu km/h) và tạo ra cực quang – theo ông Howes.

“Những thử nghiệm này cho thấy các phép đo và lý thuyết không gian đã giải thích cách cực quang được tạo ra”, đồng tác giả Craig Kletzing cho biết.

Các nhà khoa học vũ trụ trên khắp nơi rất vui mừng khi nghe tin này. Patrick Koehn, một nhà khoa học thuộc Ban Khoa học Vật lý Trực thăng của NASA cho biết: “Tôi vô cùng phấn khích! Hiếm khi thấy một thí nghiệm trong phòng thí nghiệm lại xác nhận được một lý thuyết hoặc mô hình liên quan đến môi trường không gian. Không gian đơn giản là quá lớn để có thể mô phỏng trong phòng thí nghiệm”.

Một thí nghiệm như vậy sẽ không thể thực hiện được trong không gian vì các nhà nghiên cứu không thể dự đoán khi nào cực quang sẽ xảy ra và sẽ không thể tính đến các yếu tố khác trong vũ trụ.

Các nhà nghiên cứu cho rằng, phát hiện của họ có thể mang lại hiểu biết nhiều hơn về cách các hạt được cung cấp năng lượng. Bên cạnh đó nó cũng cho họ một bức tranh rõ ràng hơn về cách các sự kiện trên Mặt trời ảnh hưởng đến không gian gần Trái đất và cơ sở hạ tầng công nghệ mà chúng ta có, ví dụ như vệ tinh.

Ông Koehn tin rằng có thể hiểu được gia tốc của các electron gây ra cực quang sẽ hữu ích trong nhiều nghiên cứu trong tương lai.

“Nó thực sự giúp chúng ta hiểu thời tiết trong không gian hơn! Cơ chế gia tốc của các electron được xác minh trong dự án này đang hoạt động ở nơi khác trong hệ mặt trời, vì vậy nó sẽ có nhiều ứng dụng trong vật lý không gian. Nó sẽ được sử dụng trong dự báo thời tiết không gian, điều mà NASA rất quan tâm” – ôngKoehn nói.

Đối với ông Schroeder, nghiên cứu trên còn cho một lợi ích khá đơn giản. “Điều này khiến chúng tôi bị lôi cuốn và ngạc nhiên. Chúng ta đã bị cực quang quyến rũ hàng nghìn năm và ngưỡng mộ vẻ đẹp của chúng. Khi hiểu thêm về cách thức cực quang được tạo ra, chúng ta lại càng trân trọng hơn vẻ đẹp của nó” – ông Schroeder cho hay.

Còn một chặng đường dài

Giờ đây cách thức tạo ra cực quang đã được chứng minh, nhưng vẫn còn một chặng đường dài nữa các nhà khoa học mới có thể dự báo mức độ mạnh của mỗi cơn bão địa từ.

“Dự đoán một cơn bão địa từ cụ thể mạnh mẽ đến mức nào, dựa trên các quan sát về Mặt trời và các phép đo giữa Trái đất và Mặt trời mà tàu vũ trụ cung cấp vẫn là một thách thức chưa thể giải quyết được. Chúng tôi đã thiết lập được mối liên hệ giữa các electron lướt trên sóng Alfven cách trái đất khoảng 16.000 km và hiện chúng tôi phải tìm hiểu cách dự đoán sức mạnh của những sóng Alfven này bằng những quan sát từ tàu vũ trụ.