Khoa học vũ trụ

Tìm hiểu Pháo sáng Mặt Trời

Pháo sáng Mặt Trời (Sun Flare) là gì?

Hiện tượng ngoạn mục nhất liên quan đến hoạt động của vết đen Mặt Trời là Pháo sáng Mặt Trời, đó là sự giải phóng đột ngột của năng lượng từ trường từ các khu vực vết đen Mặt Trời.

Mặc dù có một lượng lớn năng lượng nhưng hầu hết các vụ Pháo sáng không nhìn thấy được trong ánh sáng thông thường vì sự giải phóng năng lượng diễn ra trong bầu khí quyển trong suốt. Pháo sáng được nhìn thấy rõ nhất trong dòng Hα, trong đó độ sáng có thể gấp 10 lần so với vũ trụ xung quanh, hoặc gấp 3 lần so với những vùng lân cận.

Ở trong dòng Hα, một vụ Pháo sáng lớn sẽ bao phủ vài phần nghìn đĩa Mặt Trời, nhưng trong ánh sáng trắng nó chỉ xuất hiện như một vài đốm sáng nhỏ. Năng lượng được giải phóng trong một vụ Pháo sáng lớn có thể đạt tới 1033 erg (erd là một đơn vị đo năng lượng và công cơ học trong số các đơn vị của hệ cm gam giây), tương đương với năng lượng của toàn bộ Mặt Trời hoạt động trong 0,25 giây.

Hầu hết năng lượng này ban đầu được giải phóng trong các electron và proton có năng lượng cao, và sự phát xạ quang là hiệu ứng thứ cấp gây ra bởi các hạt tác động đến sắc quyển.

Kích thước Pháo sáng Mặt Trời

Kích thước của các vụ Pháo sáng cũng rất đa dạng, chỉ những vụ Pháo sáng cực khổng lồ mới có thể được nhìn thấy từ Trái Đất. Pháo sáng thường được phân loại theo luồng tia X liên quan có bước sóng trong khoảng từ một đến tám angstrom: Cn, Mn hoặc Xn cho luồng lớn hơn 10-6, 10-5 và 10-4 W/m2), trong đó số nguyên n tương ứng với mỗi 10 lần công suất.

Do đó, M3 tương ứng với thông lượng 3 × 10-5 W/m2 tại Trái đất. Chỉ số này không phải là tuyến tính trong năng lượng của Pháo sáng vì nó chỉ đo được mức cực đại chứ không phải tổng phát xạ.

Năng lượng trong ba hoặc bốn vụ Pháo sáng lớn nhất mỗi năm tương đương với tổng năng lượng được tạo ra trong tất cả các vụ Pháo sáng nhỏ. Một vụ Pháo sáng có thể  tăng tốc số lượng lớn các electron và ion thành năng lượng trên 10.000 volt (keV) và proton lên hơn một triệu volt (MeV).

Nguyên lý hoạt động

Hầu như tất cả năng lượng Pháo sáng ban đầu dồn vào các hạt năng lượng cao này, sau đó chúng đốt nóng khí quyển hoặc đi vào không gian liên hành tinh. Các electron tạo ra vụ nổ tia X và vụ nổ vô tuyến, làm tăng nhiệt độ bề mặt.

Proton tạo ra các dòng tia gamma bằng cách va chạm  hoặc tách bề mặt hạt nhân. Cả electron và proton đều truyền đến Trái Đất; những đám mây proton bắn phá Trái Đất với những vụ Pháo sáng lớn.

Hầu hết năng lượng sẽ làm nóng bề mặt và tạo ra một đám mây khí nhật hoa dày đặc (40.000.000 C), cũng là nơi sản sinh ra tia X. Khi đám mây này nguội đi, mưa sẽ đổ xuống mặt đất.

Các loại hạt được tạo ra trong Pháo sáng thay đổi phần nào theo vị trí gia tốc. Không có đủ các hạt giữa Mặt Trời và Trái Đất để xảy ra va chạm ion hóa nên chúng bảo tồn trạng thái ion hóa ban đầu của chúng.

Các hạt được gia tốc trong vành nhật hoa bằng sóng xung kích cho thấy sự ion hóa nhật hoa điển hình với nhiệt độ 2.000.000 độ C. Các hạt được gia tốc trong Pháo sáng cho thấy mức độ ion hóa cao hơn nhiều và nồng độ He3 cũng cao, một đồng vị hiếm gặp của He chỉ có một neutron.

Phát hiện Pháo sáng Mặt Trời

Bởi vì Pháo sáng thường xảy ra trong từ trường mạnh nên việc tìm kiếm những thay đổi từ trường liên quan đến chúng là điều tự nhiên. Nhà thiên văn học người Nga A.B. Severny là người đầu tiên áp dụng từ kế Babcock mới được phát triển dành cho nhiệm vụ này.

Ông phát hiện ra rằng các tia sáng quang học xảy ra dọc theo các đường trung tính, tức là, ranh giới giữa các vùng có cực từ trường đối diện nhau. Trên thực tế tính chất này được quyết định do việc các Pháo sáng xuất hiện trên bề mặt, năng lượng chảy xuống dọc theo các đường sức từ và tất cả các đường sức từ đều có hai đầu, dẫn từ cực bắc đến nam.

Những kính viễn vọng giám sát các vụ Pháo sáng nhìn chung rất kém, phải đến năm 1960, nhà thiên văn học người Đức Horst Künzel mới nhận ra rằng một loại vết đen đặc biệt, gọi là vết đen δ, nó là nguyên nhân của hầu hết các vụ Pháo sáng.

Trong khi phần lớn các vết đen Mặt Trời có một cực từ trường duy nhất, một vết đen δ có hai hoặc nhiều vùng tối có cực từ trường đối lập trong cùng một vùng nửa tối (penumbra). Việc ép các điểm này lại với nhau dẫn đến độ dốc từ tính cao, từ nơi này dự trữ các nguồn năng lượng để sản sinh ra các vụ Pháo sáng.

Ban đầu thì rất khó để phát hiện các thay đổi của từ trường bởi vì nó là thành phần nằm ngang của trường thay đổi, và trường ngang, vuông góc với đường ngắm, nó chính là trường khó đo nhất. Hầu hết các từ kế được chế tạo để sử dụng thường xuyên nhưng vì không thể dự đoán được Pháo sáng sẽ xảy ra lúc nào nên cần phải quan sát liên tục.

Sự thay đổi trong trường ngang có thể dễ dàng đo được bằng từ kế thông thường khi Pháo sáng xảy ra ở rìa của Mặt Trời cũng như những điểm trường ngang tại Trái Đất. Từ trường có trạng thái năng lượng tối thiểu gọi là trường tiềm năng, nó hoạt động trơn tru và không có độ dốc lớn.

Khi trường bị xoắn hoặc cắt bởi chuyển động vật chất, năng lượng bổ sung được lưu trữ trong dòng điện duy trì các trường này và năng lượng được giải phóng một cách thảm khốc trong vụ Pháo sáng.

Sức mạnh của Pháo sáng Mặt Trời

Pháo sáng bộc phát đi kèm với vụ nổ bên ngoài và sự giải phóng vật chất; vật chất có thể được mang đi khi vùng từ trường phun trào hoặc có thể bị đẩy ra bởi áp suất cao trong vụ Pháo sáng. Tốc độ cao nhất được ghi nhận là 1.500 km/s, nhưng điển hình nhất là tầm 100-300 km/s. Những đám mây lớn của vật chất vành nhật hoa được tuôn ra; chúng chiếm một phần đáng kể trong gió Mặt Trời.

Vì sự giải phóng năng lượng chính trong Pháo sáng là sự gia tốc của các electron, hình ảnh quá trình này xuất hiện ở nơi nó diễn ra. Trong khi dữ liệu còn sơ sài thì có vẻ như sự giải phóng năng lượng ban đầu nằm trên đường từ trường trung tính.

Các electron di chuyển xuống các đường trường và tạo ra các dải sáng trên bề mặt, từ đó vật chất sôi lên và tạo ra nguồn tia X mềm, một đám mây có nhiệt độ lên tới 50.000.000 C. Các proton năng lượng bắn phá bề mặt và tạo ra một lượng quan trọng các phản ứng hạt nhân, phát ra tia gamma ở cả hai đường.

Một trong số những đường quan trọng nhất là đường hủy diệt positron-electron ở mức 0,5 MeV và đường hút neutron-proton (tạo thành một deuteron) ở mức 2,2 MeV, cũng như một số đường kích thích hạt nhân được tạo ra bởi sự cố proton. Những đường này là một công cụ mạnh mẽ để phân tích hiện tượng Pháo sáng.

Hầu hết các vụ Pháo sáng lớn xảy ra trong một số lượng nhỏ các nhóm vết đen Mặt Trời siêu hoạt động. Các nhóm này được đặc trưng bởi một cụm các vết đen lớn của một cực từ trường  được bao quanh bởi các cực đối lập.

Mặc dù sự xuất hiện của hiện tượng Pháo sáng có thể được dự đoán từ sự hiện diện của những vết đen như vậy nhưng các nhà nghiên cứu không thể dự đoán khi nào những vùng hoạt động mạnh mẽ này sẽ xuất hiện từ bên dưới bề mặt, và họ cũng không biết điều gì tạo ra chúng.

Chủ đề xuất hiện trong bài viết
Back to top button
Close

Adblock Detected

Please consider supporting us by disabling your ad blocker