Vì sao Mặt Trời toả ra hơi nóng khủng khiếp nhưng không gian vũ trụ vẫn lạnh?

Tại sao Mặt trời có sức nóng khủng khiếp nhưng không gian xung quanh vẫn “lạnh cóng”? Thật là một câu hỏi rất hay.

Không giống như môi trường sống ôn hoà trên Trái đất, trong Hệ Mặt trời của chúng ta có rất nhiều khu vực với những mức nhiệt độ khắc nghiệt khác nhau. Mặt trời là một quả cầu khí và lửa, có nhiệt độ khoảng 27 triệu độ F (khoảng 15 triệu độ C) ở lõi. Nhiệt độ bề mặt của Mặt Trời cũng lên đến 10.000 độ F (khoảng 5538 độ C). Trong khi đó, "nhiệt độ nền vũ trụ" – tức là nhiệt độ không gian ở khu vực đủ xa để thoát khỏi sự tác động của nhiệt độ đến từ bầu khí quyển của Trái Đất, dao động ở mức –455 độ F (khoảng –270,5 độ C). Tại sao lại có thể có sự khác biệt lớn đến như vậy?

Để trả lời câu hỏi này, bạn cần biết rằng, nhiệt truyền qua không gian vũ trụ dưới dạng bức xạ, một dạng sóng năng lượng hồng ngoại di chuyển từ các vật có nhiệt độ nóng hơn sang các vật có nhiệt độ lạnh hơn.

Các sóng bức xạ kích thích các phân tử mà chúng tiếp xúc, từ đó khiến chúng nóng lên. Đây là cách nhiệt lượng được truyền từ Mặt Trời đến Trái Đất qua không gian vũ trụ, nhưng điều đáng nói ở đây là bức xạ chỉ có thể làm nóng các phân tử và vật chất nằm trên đường đi của nó (và có tiếp xúc trực tiếp với bức xạ). Còn các khu vực khác, nhiệt độ vẫn lạnh như thường. Lấy ví dụ về sao Thủy: nhiệt độ ban đêm của hành tinh này có thể thấp hơn đến 1.000 độ F (khoảng 538 độ C) so với lúc ban ngày, khi có tiếp xúc trực tiếp với bức xạ, thông tin từ NASA cho hay.

Mặt trời là một quả cầu khí và lửa, có nhiệt độ khoảng 27 triệu độ F (khoảng 15 triệu độ C) ở lõi.

Hãy cùng làm một phép so sánh với Trái đất, một hành tinh tuyệt vời, nơi không khí xung quanh bạn vẫn ấm áp ngay cả khi bạn đang đứng trong bóng râm và thậm chí, trong một số mùa trong năm, nhiệt độ không khí vẫn ở mức ấm áp dễ chịu ngay cả trong bóng tối của màn đêm. Đó là bởi nhiệt được truyền đi trên khắp hành tinh xanh tuyệt đẹp của chúng ta bằng không chỉ một mà là ba phương pháp: sự dẫn truyền, sự đối lưu và bức xạ. Khi bức xạ mặt trời chạm vào và làm nóng các phân tử trong bầu khí quyển Trái Đất, các phân tử này có khả năng truyền những năng lượng đó cho các phân tử xung quanh. Những phân tử đó sau đó va chạm và làm các phân tử nằm bên cạnh cũng nóng lên theo. Sự truyền nhiệt từ phân tử này sang phân tử khác theo cách này được gọi là sự dẫn nhiệt, và đó là một phản ứng dây chuyền làm nóng các khu vực nằm bên ngoài đường đi của ánh sáng Mặt Trời.

Ngược lại, bản chất không gian là một khu vực chân không, có nghĩa là về cơ bản nó hoàn toàn trống rỗng. Có quá ít phân tử khí trong không gian và chúng phân bố cách xa, do vậy chúng không thường xuyên "có cơ hội" va chạm với nhau. Vì vậy, ngay cả khi mặt trời làm nóng chúng bằng sóng hồng ngoại, việc truyền nhiệt giữa các phân tử này thông qua hiện tượng dẫn truyền là điều không thể. Tương tự như vậy, sự đối lưu, một hình thức truyền nhiệt xảy ra nhờ vào trọng lực của hành tinh và đóng vai trò rất quan trọng trong việc phân tán nhiệt lượng trên Trái đất, cũng không thể xảy ra trong môi trường không trọng lực như trong không gian.

Đây chính là những gì mà Elisabeth Abel, một kỹ sư – chuyên gia về nhiệt tham gia dự án DART của NASA, đang phải cân nhắc cẩn trọng trong quá trình chuẩn bị phương tiện và thiết bị cho các chuyến du hành dài ngày trong không gian. Điều này lại càng có ý nghĩa khi Abel đang tham gia Dự án Tàu thăm dò Mặt Trời Parker.

Đúng như tên gọi, Tàu thăm dò mặt trời Parker là một phần nằm trong nhiệm vụ nghiên cứu Mặt Trời của Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ. Con tàu này sẽ tìm cách vượt qua lớp ngoài cùng của bầu khí quyển ngôi sao, được gọi là vành nhật hoa (corona) của Mặt Trời, để thu thập dữ liệu. Trong tháng 4 năm 2019 tàu thăm dò này đã tiếp cận Mặt Trời ở khoảng cách 15 triệu dặm(khoảng 24,1 triệu km), là khoảng cách gần Mặt Trời nhất mà con người từng tiếp cận được. Tấm chắn nhiệt được lắp đặtở một bên của tàu thăm dò đã giúp nó có thể thực hiện được nhiệm vụ tưởng chừng như bất khả thi này.

Theo Abel, nhiệm vụ của "tấm khiên" nhiệt đó là để đảm bảo rằng không có bức xạ nào từ Mặt Trời [sẽ] có thể chạm tới bất cứ bộ phận nàotrên tàu thăm dò. Vì vậy, trong khi tấm lá chắn nhiệt đang phải gánh chịu nhiệt độ cao (khoảng 250 độ F, tương đương 121 độ C) từ ngôi sao chủ của Hệ Mặt Trời của chúng ta, thì nhiệt độ của con tàu thăm dò vẫn ở mức lạnh hơn rất nhiều – khoảng -238 độ F(-150 độ C).

Sự thay đổi cực độ của nhiệt độ giữa khoảng không "lạnh như băng" và sức nóng khủng khiếp của Mặt Trời đặt ra những thách thức chưa từng có.

Là kỹ sư trưởng phụ trách các vấn đề về nhiệt của dự án DART – một tàu vũ trụ cỡ nhỏ được thiết kế để đề phòng trường hợp một tiểu hành tinh đe doạ sự sống trên Trái Đất, sẵn sàng va chạm với tiểu hành tinh và đẩy nó chệch khỏi quỹ đạo nguy hiểm, Abel đang tìm các biện pháp thực tế để kiểm soát các tác động của nhiệt độ trong không gian sâu thẳm. Sự thay đổi cực độ của nhiệt độ giữa khoảng không "lạnh như băng" và sức nóng khủng khiếp của Mặt Trời đặt ra những thách thức chưa từng có. Một số bộ phận của tàu vũ trụ cần phải giữ được nhiệt độ thấp để tránh bị chập, trong khi đó một số bộ phận khác lại cần được làm nóng thì mới hoạt động được.

Sự chênh lệch nhiệt độ lên đến hàng trăm độ giữa các khu vực nằm ngay cạnh nhau nghe có vẻ khó tin, nhưng không gian vũ trụ chỗ nào cũng vậy. Điều kỳ lạ thực sự nằm ở chính Trái Đất của chúng ta: Giữa cái lạnh thấu xương và cái nóng bỏng rát của vũ trụ, bầu không khí của Trái Đất vẫn giữ cho mọi thứ dễ chịu một cách đáng ngạc nhiên, đủ để sự sống tồn tại và phát triển như hiện nay.