Nguồn gốc của các dải cực quang đầy màu sắc

Trải qua hàng thế kỷ, cuối cùng các nhà khoa học đã chứng minh được cơ chế tạo ra cực quang ở phía bắc bán cầu.

Aurora borealis, hay bắc cực quang là luồng ánh sáng nhiều màu sắc xuất hiện ở bắc bán cầu. Cực quang được miêu tả như màn trình diễn ánh sáng tuyệt vời trên Trái đất. Đây là hiện tượng chỉ xuất hiện ở những nơi có vĩ độ cao, khiến giới khoa học kinh ngạc suốt nhiều thế kỷ.

Những suy đoán về nguồn gốc bí ẩn của cực quang đã có từ lâu. Nhưng mãi đến hiện tại, những suy luận không có căn cứ đã được chứng minh rõ ràng.

Bí ẩn đã được hé lộ

Theo một nghiên cứu mới được đăng trên tạp chí Nature, một nhóm các nhà vật lý đến từ trường Đại học Iowa cuối cùng đã chứng minh được cực quang “được tạo ra bởi các sóng điện từ mạnh trong các cơn bão địa từ”.

Bắc cực quang xuất hiện trên một thác nước ở Iceland. (Ảnh: Getty Images).

Nghiên cứu chỉ ra rằng những hiện tượng này được biết đến là các sóng Alfven, phóng các hạt electron lên Trái đất, khiến các hạt sản sinh ra luồng ánh sáng mà các nhà khoa học gọi là cực quang.

“Các phép đo tiết lộ số lượng nhỏ các hạt electron trải qua 'gia tốc cộng hưởng' bởi điện trường của sóng Alfven, tương tự như một người lướt sóng bắt được sóng và tiếp tục tăng tốc khi lướt cùng con sóng”, Phó Giáo sư Greg Howes, khoa Vật lý và Thiên văn học của trường Đại học Iowa, cũng là đồng tác giả của bài nghiên cứu, cho biết.

Ý tưởng các hạt electron “lướt” trên trường điện từ là giả thuyết được giới thiệu lần đầu vào năm 1946 bởi nhà vật lý học người Nga Lev Landau. Thuyết được đặt tên theo nhà vật lý gọi là Landau damping. Sau hơn 70 năm, thuyết Landau damping đã được chứng minh.

Tái tạo cực quang

Sau nhiều thập kỷ nghiên cứu, các nhà khoa học đã hiểu cách cực quang được tạo ra, nhưng đến bây giờ họ mới có thể mô phỏng lại các dải sáng nhiều màu sắc này. Lần đầu tiên, cực quang nhân tạo được tái hiện lại trong phòng thí nghiệm bằng thiết bị vật lý plasma lớn (LPD) tại Cơ sở Khoa học Plasma cơ bản (BaPSF) của UCLA.

Cực quang quan sát từ trạm Vũ trụ Quốc tế. (Ảnh: NASA).

Theo CNN, các nhà khoa học dùng một căn phòng dài 20 m để tái tạo lại từ trường của Trái đất sử dụng các cuộn từ trường mạnh trên thiết bị LPD của UCLA. Bên trong căn phòng, các nhà khoa học tạo ra môi trường plasma tương tự những gì tồn tại trong không gian gần Trái đất.

“Bằng cách sử dụng antenna được thiết kế đặc biệt, chúng tôi phóng các sóng Alfven xuống máy, giống như khi lắc nhanh vòi tưới lên xuống và quan sát sóng di chuyển dọc theo vòi”, ông Howes nói.

Khi họ bắt đầu trải nghiệm các hạt electron “lướt” dọc theo sóng, họ dùng dụng cụ chuyên dụng khác để đánh giá cách các hạt electron nhận năng lượng từ sóng.

“Mặc dù thí nghiệm không tái tạo được dải ánh sáng nhiều màu như trên bầu trời, các phép đo của chúng tôi trong phòng thí nghiệm khớp với dự đoán từ các mô phỏng máy tính và các phép tính toán học, chứng minh rằng các hạt electron lướt trên sóng Alfven có thể tăng tốc lên đến 72 triệu km/h và tạo ra cực quang”, ông Howes cho biết.

Ông Craig Kletzing, đồng tác giả nghiên cứu bổ sung rằng những thí nghiệm này cho phép họ thực hiện các phép đo chính để chứng minh các phép đo không gian và giả thuyết thực sự giải thích cách cực quang được tạo ra.

Cực quang được chụp ở Alaska. (Ảnh: Getty Images).

Nhiều nhà khoa học không gian cũng cảm thấy phấn khích với tin tức mới này.

“Tôi cảm thấy rất hào hứng! Có rất ít thí nghiệm phòng lab có thể chứng minh được giả thuyết và mẫu liên quan đến môi trường không gian. Vì không gian quá rộng lớn đến nỗi không thể mô phỏng trong phòng lab được”, ông Patrick Koehn, nhà khoa học thuộc Bộ phận Vật lý Trực thăng của NASA, cho biết.

Theo ông Koehn, việc hiểu được cơ chế gia tốc của các hạt electron tạo ra cực quang sẽ hữu ích với nhiều nghiên cứu trong tương lai.

Đoạn đường dài phía trước

Hiện tại, giả thuyết cách tạo ra cực quang đã được chứng minh, nhưng vẫn còn một đoạn đường dài phía trước để dự báo mức độ mạnh của mỗi cơn bão sắp đến.

“Việc dự đoán độ mạnh của một cơn bão địa từ cụ thể, dựa trên các quan sát của Mặt Trời và các phép đo từ tàu không gian giữa Trái đất và Mặt Trời, vẫn là một bài toán khó chưa tìm được lời giải”, ông Howes nói.

Ông Howes cho biết họ đã thiết lập liên kết của các electron lướt trên sóng Alfven khoảng hơn 16.000 km trên bề mặt Trái đất. Và bây giờ, họ phải học cách dự đoán độ mạnh của các sóng Alfven đó bằng cách sử dụng các đài quan sát tàu không gian.

Cập nhật: 10/06/2021 Theo Zing