Tìm hiểu Vết đen Mặt trời

Vết đen Mặt Trời (Sunspots) là gì?

Hoạt động lên và xuống nhịp nhàng của vết đen Mặt Trời chiếm ưu thế trong bầu khí quyển của Mặt Trời. Những vết đen Mặt Trời, thứ lớn nhất mà chúng ta thậm chí có thể quan sát được ngay cả khi không cần một chiếc kính thiên văn, là những vùng từ trường cực kỳ mạnh được tìm thấy trên bề mặt của Mặt Trời.

Nó bao gồm một lõi trung tâm tối, vùng tối (umbra), nơi vòng lặp luồng từ trường xuất hiện theo chiều dọc từ bên dưới, được bao quanh bởi một vòng tối nhạt hơn của các sợi được gọi là penumbra, nơi mà từ trường lan ra ngoài theo chiều ngang.

Sự hình thành các Vết đen

George Ellery Hale đã quan sát quang phổ của vết đen Mặt Trời vào đầu thế kỷ 20 bằng kính viễn vọng Mặt Trời mới của ông và thấy nó cũng tương tự như các sao loại M màu đỏ. Vì vậy, ông đã chỉ ra rằng vùng tối nhìn tối bởi vì ở đó có nhiệt độ khá thấp, chỉ khoảng 3.000 K (~2726.8 C), so với nhiệt độ 5.800 K (~5526.9 C) của vùng lân cận xung quanh.

Áp suất của vết đen bao gồm áp suất từ ​​trường và khí phải cân bằng với áp suất xung quanh nó; do đó vết đen phải giảm nhiệt độ xuống thấp bằng cách nào đó cho đến khi áp suất khí bên trong thấp hơn đáng kể so với bên ngoài. Do năng lượng từ trường lớn hiện diện trong các vết đen Mặt Trời, các vùng gần đó có hoạt động nóng nhất và mạnh nhất.

Người ta cho rằng những vết đen Mặt Trời được làm mát bằng áp lực của các vùng hoạt động mạnh mẽ của chúng với những chuyển động đối lưu mang nhiệt lên từ bên dưới.

Vì lý do này mà dường như các vết đen có giới hạn về kích thước thấp hơn hay xấp xỉ 500 km. Những vết đen nhỏ hơn được làm nóng nhanh chóng bằng bức xạ từ môi trường xung quanh và rồi bị phá hủy.

Mặc dù khu vực từ trường ngăn chặn sự đối lưu và chuyển động ngẫu nhiên thấp hơn nhiều so với môi trường xung quanh, có nhiều chuyển động trải rộng có tổ chức xảy ra tại các vết đen, chủ yếu là ở vùng nửa tối (penumbra), nơi các đường ngang cho phép các luồng chảy ngang có thể nhận thấy được. Chuyển động như vậy được gọi là hiệu ứng Evershed, một dòng chảy hướng ra ngoài với tốc độ 1km/s ở nửa ngoài của vùng nửa tối kéo dài ra ngoài ở dạng di chuyển các tính năng từ trường.

Trong sắc quyển phía trên một vết đen Mặt Trời, một dòng chảy ngược dòng Evershed hiện ra như những đường vật chất xoắn ốc đi vào trong vết đen; nửa bên trong của vùng nửa tối (penumbra) chảy vào trong vùng tối (umbra).

Dao động cũng được quan sát thấy ở các vết đen.

Khi một phần của quyển sáng (photosphere) được gọi là cây cầu ánh sáng đi qua vùng tối, ta có thể nhìn thấy được luồng chảy ngang. Mặc dù vùng tối quá mạnh để cho phép các chuyển động xảy ra, các dao động nhanh được gọi là những tia chớp trong vùng tối xuất hiện trong sắc quyển ngay trên vùng nửa tối, với mỗi chu kì kéo dài 150 giây.

Trong sắc quyển phía trên vùng nửa tối, các nhà thiên văn quan sát thấy những bước sóng chạy hướng thẳng ra ngoài với một chu kì kéo dài 300 giây.

Quan sát Vết đen Mặt Trời

Các vết đen Mặt Trời thường xuyên được nhìn thấy theo cặp hoặc theo nhóm gồm các cặp của cực đối lập tương ứng với những cụm của các vòng lặp luồng từ trường giao nhau với bề mặt của Mặt Trời. Những vết đen Mặt Trời của cực đối lập được kết nối bởi các vòng lặp từ trường, chúng cong lên vành nhật hoa (corona) thấp và sắc quyển phía trên. Các vòng vành nhật hoa có thể chứa khí nóng đặc được phát hiện bằng tia X và bức xạ cực tím.

Mỗi vết đen trong một cặp vết đen được xác định theo vị trí của chúng có liên quan đến vòng quay của Mặt Trời; một vết đen được chỉ định là vị trí dẫn đầu và vết đen còn lại là vị trí sau. Ở một bán cầu nhất định (bắc hoặc nam), tất cả các cặp vết đen thường có cùng cấu hình cực – ví dụ như tất cả các điểm có thể có cực bắc, trong khi tất cả các điểm sau đều có cực nam (xem bên dưới).

Một nhóm vết đen mới thường có cấu hình cực phù hợp với bán cầu nơi mà nó hình thành, nếu không thì nó sẽ nhanh chóng bị chết đi. Đôi khi các vùng cực bị đảo ngược tồn tại để phát triển thành các nhóm vết đen lớn và hoạt động tích cực hơn.

Một tập hợp của các vết đen Mặt Trời, sắc quang sáng rực xung quanh và các vùng từ trường liên kết mạnh mẽ tạo thành một nơi được gọi là một khu vực hoạt động. Các vùng từ trường mạnh không liên kết với các vết đen Mặt Trời được gọi là các vùng sáng (plages), nổi bật trong dòng Hα đỏ và cũng có thể được nhìn thấy trong ánh sáng liên tục gần rìa.

Sự xuất hiện của một nhóm vết đen mới làm nổi bật cấu trúc ba chiều của vòng từ trường Đầu tiên, chúng ta thấy một đốm sáng nhỏ (được gọi là một vùng luồng chảy mới nổi [EFR]) và một vết lớn hơn trong sắc quyển. Trong vòng một giờ, hai cực nhỏ xíu của cực đối lập xuất hiện thường đi kèm với các cực từ trường phù hợp với bán cầu đó.

Các vòm tối (các sợi vòm) vạch ra các đường sức từ kết nối các vết đen lại với nhau. Khi những vòng lặp tăng lên, các vết đen trải rộng ra và phát triển nhưng không đối xứng nhau. Vết đen dẫn đầu di chuyển về phía tây với vận tốc khoảng 1 km/s, trong khi vết đen sau cứ ì ạch hoặc đứng lì một chỗ. Một số vết đen nhỏ bổ sung hoặc lỗ nhỏ xuất hiện sau đó.

Các lỗ nhỏ dẫn trước hợp nhất vào một vết đen lớn hơn trong khi vết đen sau thường chết đi. Các cực bắc và cực nam cân bằng trong mọi trường hợp vì không có các đơn cực từ.

Hoạt động Mặt Trời có xu hướng xảy ra trên toàn bộ bề mặt của Mặt Trời giữa vĩ độ +/− 40 ° theo một cách có hệ thống. Khi bắt đầu một chu kỳ hoạt động, một số các nhóm vết đen và kích thước của chúng tăng lên nhanh chóng cho đến khi đạt số lượng tối đa (hay được biết như là cực đại của vết đen Mặt Trời), cứ thế sau hai hoặc ba năm và vùng cực đại vết đen xuất hiện khoảng một năm sau đó.

Tuổi thọ trung bình của một nhóm vết đen ở kích cỡ trung bình là khoảng một vòng quay Mặt Trời, nhưng một nhóm nhỏ mới nổi có thể chỉ kéo dài một ngày thôi. Các nhóm vết đen lớn nhất và các vụ phun trào khủng khiếp nhất thường xảy ra hai hoặc ba năm sau khi số lượng vết đen đạt cực đại.

Tối đa có thể có 10 nhóm và 300 vết đen trên Mặt Trời, nhưng một nhóm vết đen lớn có thể chứa tới 200 điểm trong đó. Tiến trình của chu kỳ hoạt động có thể không đều; thậm chí có khi đã gần đạt mức cực đại rồi thì số vết đen lại tạm thời giảm đi.

Chu kỳ hoạt động của Vết đen Mặt Trời

Vùng hoat động

Chu kỳ vết đen Mặt Trời trở về mức tối thiểu sau khoảng 11 năm. Tại thời điểm cực tiểu của vết đen Mặt Trời thì có thể còn một vài vết đen nhỏ trên Mặt Trời, thường ở các vĩ độ thấp, và cũng có những tháng không còn lại vết đen nào cả. Các vết đen của chu kỳ mới bắt đầu xuất hiện ở các vĩ độ cao hơn, từ 25 ° đến 40 °, với cực đối lập lại chu kỳ trước đó.

Các vết đen của chu kỳ mới tại các vĩ độ cao và các vết đen của chu kỳ cũ ở vĩ độ thấp có thể xuất hiện trên Mặt Trời cùng một lúc. Các vết đen của chu kỳ mới đầu tiên còn nhỏ và chỉ kéo dài vài ngày. Vì thời gian của một vòng quay là 27 ngày (dài hơn ở vĩ độ cao hơn), những vết đen này thường không quay trở lại và các vết đen mới tiếp theo sẽ xuất hiện gần xích đạo hơn.

Đối với một chu kỳ 11 năm cố định, cấu hình cực từ trường của các nhóm vết đen giống nhau ở một bán cầu nhất định và bị đảo ngược ở bán cầu đối diện. Cấu hình cực từ trường  ở mỗi bán cầu lại đảo ngược cho nhau trong chu kỳ tiếp theo.

Do đó, các vết đen mới tại vĩ độ cao ở bán cầu bắc có thể có vết đen dẫn đầu mang cực dương và vết đen sau mang cực âm, trong khi các nhóm vết đen của chu kỳ trước ở vĩ độ thấp sẽ có hướng ngược lại.

Khi chu kỳ được tiến hành, các vết đen cũ biến mất và các vết đen của chu kỳ mới xuất hiện với số lượng và kích thước lớn hơn ở các vĩ độ thấp hơn liên tiếp nhau. Sự phân bố vĩ độ của các vết đen trong suốt một chu kỳ cố định tạo ra một mô hình giống như cánh bướm được gọi là biểu đồ bướm.

Sự đảo chiều

Vì cấu hình cực từ trường của các nhóm vết đen Mặt Trời đảo ngược lại sau mỗi 11 năm, nó lại lặp lại giống hai chu kỳ trước sau mỗi 22 năm và đây được coi là giai đoạn của một chu kỳ từ trường hoàn chỉnh. Khi các khu vực hoạt động bị tách rời ra, luồng từ trường được chia ra thành các khu vực mang dấu dương và âm.

Sau sự sinh ra rồi chết đi của nhiều vết đen trong cùng một khu vực chung, các vùng cực đơn lớn của một cực xuất hiện và di chuyển về phía cực tương ứng của Mặt Trời. Trong mỗi bán cực thì các cực đơn bị chi phối bởi luồng từ trường của cực đơn phía sau chúng nằm trong bán cầu đó.

Nhưng nếu tất cả các vùng từ trường đều được cân bằng với nhau, thì chúng có thể được tách ra thành các khu vực đơn cực lớn để điều chỉnh vùng cực như thế nào?

Chưa có một câu trả lời xác đáng nào cho câu hỏi này. Do vòng quay khác nhau của Mặt Trời, các vùng cực tiếp xúc với các cực xoay chậm hơn so với các vết đen Mặt Trời. Cuối cùng thì hai cực được đảo ngược với nhau và lại tiếp tục chu kỳ 22 năm khác.

Quan sát các Vết đen

Trong suốt quá trình chu kỳ vết đen Mặt Trời diễn ra khá thường xuyên trong vài thế kỷ thì cũng đã xuất hiện những biến chuyển khá lớn. Trong giai đoạn 1955 – 1970, có nhiều vết đen hơn ở bán cầu bắc, trong khi ở chu kỳ năm 1990 chúng lại chiếm ưu thế ở bán cầu nam.

Hai chu kỳ đạt đỉnh cao vào năm 1946 và 1957 là những chu kỳ lớn nhất trong lịch sử. Nhà thiên văn học người Anh E. Walter Maunder đã tìm thấy bằng chứng cho một giai đoạn hoạt động thấp chỉ ra rằng rất ít vết đen được nhìn thấy giữa năm 1645 và 1715.

Mặc dù các vết đen đã được phát hiện lần đầu tiên vào những năm 1600, có rất ít hồ sơ cho thấy hình ảnh của chúng trong giai đoạn này. Các nhà quan sát dày dặn kinh nghiệm thông báo về sự xuất hiện của một nhóm vết đen mới như một sự kiện lớn vì họ đã không nhìn thấy một vết đen nào trong nhiều năm.

Các vết đen xuất hiện trở lại sau năm 1715. Giai đoạn này có liên quan đến thời kỳ lạnh nhất ở châu Âu kéo dài từ khoảng năm 1500 đến năm 1850 và được gọi là Thời kỳ Tiểu Băng Hà (Little Ice Age). Tuy nhiên, nguyên nhân và tác động của nó chưa được chứng minh. Có một số bằng chứng về các giai đoạn hoạt động thấp khác trong khoảng thời gian 500 năm kế tiếp.

Nguồn gốc chu kỳ

Nguồn gốc của chu kỳ vết đen Mặt Trời vẫn chưa được tìm ra. Bởi vì không có lý do gì mà một ngôi sao trong trạng thái cân bằng bức xạ lại tạo ra các vùng như vậy. Các chuyển động trong khu vực đối lưu có thể đóng góp năng lượng của chúng vào các vùng từ trường nhưng chúng quá hỗn loạn để tạo ra các hiệu ứng dễ quan sát được.

Tuy nhiên, phép quay vi sai diễn ra thông thường và nó có thể thổi bay các đường từ sức đang tồn tại bằng một cách thông thường; do đó, hầu hết các mô hình của máy phát điện Mặt Trời đều dựa trên sự xoay vòng vi sai ở một số phương diện. Nguyên nhân của sự quay vòng vi sai cũng không được làm rõ.

Bên cạnh các vết đen Mặt Trời, tồn tại nhiều lưỡng cực vô hướng nhỏ gọi là các khu vực hoạt động tạm thời trung bình kéo dài ít nhất hơn một ngày và được tìm thấy trên khắp Mặt Trời thay vì chỉ ở vĩ độ cố định. Số lượng các khu vực hoạt động nổi lên trên toàn bộ Mặt Trời khoảng hai lần mỗi ngày trong khi các khu vực tạm là khoảng 600 lần mỗi ngày.

Vì vậy, mặc dù các vùng tạm thời là khá nhỏ nhưng tại bất kỳ thời điểm nào chúng cũng có thể tạo thành hầu hết các luồng từ trường phun trào trên Mặt trời.

Tuy nhiên, vì chúng có tính trung tính từ tính và nhỏ nên chúng gần như không đóng một vai trò nào trong quá trình tiến hóa chu kỳ và mô hình vùng từ trường toàn cục.

Domin Võ

Dành ra 12 tiếng/ngày cho công việc tẻ nhạt ở công tỷ, chỉ khi viết bài cho Mingeek, anh ấy mới thật sự là chính mình. Anh muốn cho mọi người thấy rằng, khoa học không nhàm chán như trong SGK đâu!

Related Articles

Back to top button

Adblock Detected

Please consider supporting us by disabling your ad blocker