Tại sao khí quyển Mặt trời nóng gấp 200 lần bề mặt?

Sự chênh lệch nhiệt độ cực lớn giữa lớp ngoài cùng khí quyển và bề mặt Mặt trời là vấn đề khiến các nhà thiên văn học đau đầu suốt thời gian dài.

Rất ít nơi trong Hệ Mặt trời nóng hơn bề mặt của ngôi sao ở trung tâm. Nhưng những sợi plasma xoắn rất mảnh ở lớp ngoài cùng của khí quyển Mặt trời, gọi là vành nhật hoa, nóng hơn nhiều so với bề mặt, theo nhà nghiên cứu khoa học vũ trụ Jia Huang ở Đại học California, Berkeley. Bề mặt Mặt trời có nhiệt độ khoảng hơn 5.500 độ C, trong khi vành nhật hoa có thể nóng tới 1,1 triệu độ C. Chênh lệch này được gọi là vấn đề nhiệt vành nhật hoa và giới thiên văn học đã tìm cách lý giải nó từ giữa thế kỷ 19, theo Popular Science.

Tàu Parker của NASA bay qua vành nhật hoa và lấy mẫu hạt vào năm 2021. (Ảnh: NASA).

Theo Huang, giải quyết vấn đề trên có thể giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về Mặt trời. Vật lý Mặt trời rất quan trọng đối với dự đoán thời tiết vũ trụ để bảo vệ nhân loại. Ngoài ra, Mặt trời là ngôi sao duy nhất con người có thể đưa tàu thăm dò tới, từ đó hiểu thêm về những ngôi sao khác trong vũ trụ.

Trong nhật thực toàn phần năm 1869, khi Mặt trời, Mặt trăng và Trái đất xếp thẳng hàng, các nhà khoa học có thể quan sát vành nhật hoa mờ. Quan sát của họ hé lộ một đặc điểm ở vành nhật hoa, được cho là bằng chứng về sự tồn tại của nguyên tố mới là coronium. Giả thuyết mới về cơ học lượng tử hơn 60 năm sau hé lộ "nguyên tố mới" thực chất là sắt bị nung nóng tới nhiệt độ cao hơn bề mặt Mặt trời.

Lý giải mới này về phép đo năm 1869 là bằng chứng đầu tiên về nhiệt độ cực hạn của vành nhật hoa, thúc đẩy nghiên cứu kéo dài hàng thập kỷ nhằm hiểu rõ tại sao plasma lại nóng đến vậy hay năng lượng ở vành nhật hoa đến từ đâu? "Chúng tôi biết chắc vấn đề vẫn chưa được giải quyết, dù chúng tôi có nhiều giả thuyết và toàn bộ cộng đồng thiên văn học đang tích cực tìm cách giải thích", Huang chia sẻ. Hiện nay, có hai giả thuyết chính về cách năng lượng từ Mặt trời làm nóng vành nhật hoa: chuyển động sóng và hiện tượng phát nổ mang tên lóa nano.

Bề mặt của Mặt trời sôi sục giống như một nồi nước sôi. Do plasma đối lưu, nó tạo ra từ trường cực mạnh. Từ trường này có thể dịch chuyển và chao đảo theo dạng sóng đặc biệt gọi là sóng Alfvén, đẩy proton và electron lên phía trên bề mặt Mặt trời. Các nhà thiên văn học cho rằng những hạt tích điện bị khuấy động bởi sóng Alfvén có thể đưa năng lượng vào vành nhật hoa, nung nóng nó tới nhiệt độ khó tin.

Một cách giải thích khác là khi plasma của Mặt trời sụp đổ và tuần hoàn trong lớp khí quyển bên trên, nó vặn xoắn đường sức từ thành hình nút rối. Cuối cùng, các đường sức từ đó không thể chịu được áp lực thêm nữa. Khi bị xoắn quá nhiều, đường sức từ bật lại trong sự kiện phát nổ có tên tái liên kết từ, khiến hạt tích điện bay xung quanh và làm chúng nóng lên. Hiện tượng lóa nano này đưa năng lượng vào vành nhật hoa. Giới thiên văn học đã quan sát vài ví dụ của lóa nano bằng kính viễn vọng và vệ tinh hiện đại.

Các nhà nghiên cứu vẫn chưa biết sóng Alfvén hoặc lóa nano xảy ra thường xuyên tới mức nào. Tàu thăm dò Parker phóng vào năm 2018 sẽ bay gần Mặt trời nhất từ trước tới nay. Hiện nay, tàu đang bay qua một số khu vực bên ngoài vành nhật hoa, cung cấp hình ảnh cận cảnh đầu tiên về chuyển động của những hạt có thể chịu trách nhiệm phía sau nhiệt độ cực cao của lớp này.