Khám phá Bắc cực và Nam cực trên Mặt Trời để giải quyết vấn đề ở Trái Đất

Mặt Trời là ngôi sao gần nhất chúng ta và có rất nhiều bí ẩn

Các vùng cực của Mặt Trời vẫn là một trong những khu vực ít được khám phá nhất trong khoa học Mặt Trời. Mặc dù các vệ tinh và đài quan sát mặt đất đã ghi lại được nhiều chi tiết ấn tượng về bề mặt, khí quyển và từ trường của Mặt Trời, nhưng hầu hết những quan sát này đều xuất phát từ mặt phẳng hoàng đạo – quỹ đạo hẹp mà Trái Đất và hầu hết các hành tinh khác đi theo.

Chính góc nhìn hạn chế này khiến giới khoa học chỉ có hiểu biết rất hạn hẹp về những gì xảy ra gần các cực Mặt Trời. Thế nhưng, các khu vực này lại giữ vai trò then chốt. Từ trường và những hoạt động năng động của chúng là yếu tố cốt lõi trong chu kỳ từ trường Mặt Trời, đồng thời cung cấp khối lượng và năng lượng cho gió Mặt Trời nhanh. Những quá trình này cuối cùng định hình hành vi của Mặt Trời và ảnh hưởng đến thời tiết không gian có thể tác động đến Trái Đất.

Vì sao cần nghiên cứu các cực trên Mặt Trời?

Bề ngoài, các cực Mặt Trời có vẻ yên ả hơn so với các vĩ độ trung bình (khoảng ±35°), nơi thường xuyên xuất hiện các vết đen, bùng nổ Mặt Trời và những vụ phun trào nhật hoa (CMEs). Tuy nhiên, nghiên cứu đã cho thấy từ trường ở vùng cực đóng góp trực tiếp vào “máy phát điện” của toàn bộ Mặt Trời (solar dynamo) và có thể đóng vai trò nền tảng cho chu kỳ Mặt Trời tiếp theo, bằng cách thiết lập lại từ trường lưỡng cực của Mặt Trời.

Từ trường ở vùng cực đóng góp trực tiếp vào “máy phát điện” của toàn bộ Mặt Trời

Những quan sát từ sứ mệnh Ulysses cũng chỉ ra rằng gió Mặt Trời nhanh chủ yếu bắt nguồn từ những lỗ nhật hoa khổng lồ ở vùng cực. Vì lý do đó, có cái nhìn rõ ràng hơn về cực Mặt Trời chính là chìa khóa để giải quyết ba câu hỏi cơ bản trong vật lý Mặt Trời.

Thứ nhất, chu trình dynamo của Mặt Trời vận hành như thế nào và thúc đẩy chu kỳ từ trường ra sao? Chu kỳ từ trường Mặt Trời gắn liền với sự thay đổi định kỳ về số lượng vết đen trên bề mặt, thường kéo dài khoảng 11 năm. Trong mỗi chu kỳ, các cực từ của Mặt Trời đảo chiều – cực bắc và cực nam đổi chỗ từ tính cho nhau.

Từ trường của toàn bộ Mặt Trời được sinh ra nhờ quá trình dynamo, vốn dựa vào sự quay vi sai (differential rotation) tạo ra các vùng hoạt động và dòng đối lưu theo kinh tuyến (meridional circulation) mang từ thông về phía các cực. Tuy nhiên, nhiều thập kỷ nghiên cứu bằng dao động học nhật quyển (helioseismology) đã đưa ra những kết quả trái ngược về mô hình dòng chảy sâu bên trong vùng đối lưu.

Một số nghiên cứu thậm chí còn gợi ý rằng có tồn tại dòng chảy hướng cực ở đáy vùng đối lưu, thách thức các mô hình dynamo kinh điển. Chính vì vậy, việc quan sát từ trường và chuyển động plasma ở vĩ độ cao có thể cung cấp bằng chứng còn thiếu, từ đó tinh chỉnh hoặc thậm chí viết lại những mô hình lý thuyết hiện nay.

Thứ hai, điều gì thúc đẩy gió Mặt Trời nhanh? Gió Mặt Trời nhanh là dòng hạt mang điện chuyển động siêu thanh, xuất phát chủ yếu từ các lỗ nhật hoa ở cực và lan tỏa khắp thể tích nhật quyển, chi phối môi trường vật lý trong không gian liên hành tinh.

Dù vậy, chi tiết về nguồn gốc của nó vẫn chưa được giải đáp. Liệu gió bắt nguồn từ những cột plasma dày đặc trong lỗ nhật hoa, hay từ các vùng loãng hơn xen giữa chúng? Liệu cơ chế gia tốc plasma là do sóng năng lượng, tái kết nối từ trường, hay là sự kết hợp của cả hai? Để trả lời, khoa học cần có những hình ảnh trực tiếp từ vùng cực và các phép đo tại chỗ.

Thứ ba, các hiện tượng thời tiết không gian lan truyền trong hệ Mặt Trời ra sao? Thời tiết không gian trong nhật quyển là những biến động môi trường do gió Mặt Trời và các hoạt động bùng nổ gây ra. Những sự kiện cực đoan, như bùng nổ Mặt Trời mạnh hoặc phun trào nhật hoa quy mô lớn (CME), có thể gây ra những cơn bão địa từ và bão tầng điện ly nghiêm trọng, đồng thời tạo ra cực quang rực rỡ. Quan trọng hơn, chúng đe dọa trực tiếp đến an toàn của các hoạt động công nghệ cao của nhân loại.

Muốn dự báo chính xác, các nhà khoa học phải theo dõi cách cấu trúc từ trường và dòng plasma tiến hóa ở quy mô toàn Mặt Trời, chứ không chỉ từ góc nhìn hạn hẹp trong mặt phẳng hoàng đạo. Quan sát từ vị trí ngoài mặt phẳng này sẽ cho phép “nhìn từ trên cao” toàn cảnh sự lan truyền của CME trong hệ Mặt Trời – một yếu tố sống còn để nâng cao khả năng dự báo và phòng ngừa rủi ro từ không gian.

Những nỗ lực trước đây

Các nhà khoa học từ lâu đã nhận thức được tầm quan trọng của việc quan sát cực Mặt Trời. Sứ mệnh Ulysses, được phóng vào năm 1990, là tàu vũ trụ đầu tiên rời khỏi mặt phẳng hoàng đạo và tiến hành lấy mẫu gió Mặt Trời trên các cực. Các thiết bị đo tại chỗ của nó đã xác nhận những đặc tính then chốt của gió Mặt Trời nhanh, song sứ mệnh này lại thiếu năng lực chụp ảnh.

Gần đây hơn, tàu Solar Orbiter của Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) đã dần di chuyển ra ngoài mặt phẳng hoàng đạo và dự kiến sẽ đạt đến vĩ độ khoảng 34° trong vài năm tới. Đây là một bước tiến lớn, nhưng vẫn còn quá xa so với góc quan sát cần thiết để có một cái nhìn thực sự toàn cảnh từ cực.

Tìm hiểu hoạt động của 2 cực trên Mặt Trời là thách thức với nhân loại

Trong nhiều thập niên qua, một số khái niệm táo bạo đã được đề xuất, gồm Solar Polar Imager (Kính chụp ảnh cực Mặt Trời - SPI), POLAR Investigation of the Sun (Sứ mệnh POLARIS nghiên cứu các cực Mặt Trời - POLARIS), Solar Polar ORbit Telescope (Kính viễn vọng quỹ đạo cực Mặt Trời - SPORT), Solaris Mission (Sứ mệnh Solaris nghiên cứu cực Mặt Trời) và High Inclination Solar Mission (Sứ mệnh Mặt Trời quỹ đạo nghiêng lớn - HISM).

Một số ý tưởng dựa trên việc sử dụng công nghệ đẩy tiên tiến như buồm Mặt Trời để đạt tới độ nghiêng lớn, trong khi một số khác dựa vào các cú trợ lực hấp dẫn để dần nghiêng quỹ đạo. Mỗi sứ mệnh này đều dự kiến mang theo cả thiết bị quan sát từ xa và đo tại chỗ để chụp ảnh các cực Mặt Trời cũng như đo lường các tham số vật lý then chốt ở trên đó.

Sứ mệnh SPO

Tàu Quan sát Quỹ đạo Cực Mặt Trời (Solar Polar-orbit Observatory – SPO) được thiết kế đặc biệt để khắc phục những hạn chế của các sứ mệnh trước đây. Dự kiến sẽ được phóng vào tháng 1.2029, SPO sẽ sử dụng cú trợ lực hấp dẫn từ sao Mộc (Jupiter Gravity Assist – JGA) để bẻ quỹ đạo ra khỏi mặt phẳng hoàng đạo. Sau nhiều lần bay sượt qua Trái Đất và một cuộc tiếp cận được tính toán kỹ với sao Mộc, tàu vũ trụ sẽ ổn định trong một quỹ đạo chu kỳ 1,5 năm, với cận nhật khoảng 1 AU và độ nghiêng lên tới 75°. Trong giai đoạn mở rộng của sứ mệnh, SPO thậm chí có thể đạt tới độ nghiêng 80°, mang lại góc nhìn trực tiếp nhất về các cực từng có trong lịch sử.

Tuổi thọ của sứ mệnh kéo dài 15 năm (gồm 8 năm giai đoạn mở rộng) sẽ cho phép bao quát cả hai trạng thái cực tiểu và cực đại của chu kỳ Mặt Trời, trong đó có giai đoạn then chốt quanh năm 2035 khi cực đại tiếp theo diễn ra cùng với sự đảo ngược từ trường cực. Trong suốt vòng đời này, SPO sẽ nhiều lần đi qua cả hai cực, với những khoảng thời gian quan sát ở vĩ độ cao kéo dài hơn 1000 ngày.

Sứ mệnh SPO hướng tới đột phá trong ba câu hỏi khoa học nền tảng đã nêu. Để đáp ứng mục tiêu đầy tham vọng, SPO sẽ mang theo một bộ thiết bị quan sát từ xa và đo tại chỗ. Các thiết bị quan sát từ xa gồm: Máy đo Từ trường và Dao động địa chấn Mặt Trời (MHI) để đo từ trường và dòng plasma trên bề mặt; Kính thiên văn Tử ngoại Cực mạnh (EUT) và Kính thiên văn X-quang (XIT) để ghi lại các hiện tượng động lực trong tầng khí quyển trên của Mặt Trời; Kính quang học vành nhật (VISCOR) và Kính vành nhật góc siêu rộng (VLACOR) để theo dõi vành nhật và các luồng gió Mặt Trời đến tận 45 bán kính Mặt Trời (tại 1 AU). Gói thiết bị đo tại chỗ gồm từ kế và các máy dò hạt để lấy mẫu trực tiếp gió Mặt Trời cũng như từ trường liên hành tinh. Nhờ sự kết hợp này, SPO không chỉ lần đầu tiên ghi lại hình ảnh các cực mà còn liên kết được chúng với các dòng plasma và năng lượng từ định hình nên nhật quyển.

Các tổ chức vũ trụ liên tục thực hiện các sứ mệnh khám phá Mặt Trời

SPO cũng sẽ không hoạt động đơn độc. Nó dự kiến phối hợp với mạng lưới ngày càng mở rộng các sứ mệnh Mặt Trời khác, gồm: Đài quan sát quan hệ Mặt Trời – Trái Đất (STEREO), vệ tinh Hinode, Đài quan sát động lực học Mặt Trời (SDO), Kính quang phổ chụp ảnh vùng giao thoa (IRIS) – chuyên nghiên cứu vùng chuyển tiếp giữa bề mặt và khí quyển Mặt Trời, Đài quan sát Mặt Trời tiên tiến đặt ngoài không gian (ASO-S) – của Trung Quốc, Tàu thăm dò quỹ đạo Mặt Trời (Solar Orbiter) – của ESA (Cơ quan Vũ trụ châu Âu), Sứ mệnh Aditya-L1 – tàu quan sát Mặt Trời của Ấn Độ, đặt tại điểm Lagrange L1, Sứ mệnh PUNCH – thiết bị phân cực nhằm nghiên cứu sự kết nối giữa vành nhật hoa và nhật quyển cũng như các sứ mệnh tại điểm L5 sắp tới (chẳng hạn Vigil của ESA và LAVSO của Trung Quốc). Tất cả sẽ hợp thành một mạng lưới quan sát chưa từng có và góc nhìn từ cực của SPO sẽ bổ sung mảnh ghép còn thiếu, mở ra khả năng quan sát gần như toàn diện 4π của Mặt Trời lần đầu tiên trong lịch sử nhân loại.

Hướng tới tương lai

Mặt Trời vẫn là ngôi sao gần gũi nhất với chúng ta, nhưng xét trên nhiều phương diện thì nó vẫn còn là một ẩn số lớn. Với SPO, các nhà khoa học đang đứng trước ngưỡng cửa giải mã một số bí mật sâu xa nhất của nó. Những vùng cực, từng bị che khuất khỏi tầm nhìn, sẽ lần đầu tiên được phơi bày rõ ràng, mở ra bước ngoặt trong hiểu biết về ngôi sao duy trì sự sống trên Trái Đất.

Tác động của SPO vượt xa phạm vi của sự tò mò khoa học đơn thuần. Việc hiểu sâu hơn về cơ chế dynamo Mặt Trời có thể cải thiện khả năng dự báo chu kỳ Mặt Trời, từ đó nâng cao chất lượng dự báo thời tiết không gian. Những hiểu biết mới về gió Mặt Trời nhanh sẽ giúp nâng cao mô hình hóa môi trường nhật quyển – yếu tố sống còn trong thiết kế tàu vũ trụ và an toàn của phi hành gia. Quan trọng hơn cả, khả năng giám sát tốt hơn các hiện tượng thời tiết không gian sẽ giúp bảo vệ cơ sở hạ tầng công nghệ hiện đại – từ các vệ tinh dẫn đường, thông tin liên lạc, đến hàng không và hệ thống điện mặt đất.

Bùi Tú