Các nhà khoa học Mặt Trời cho biết họ đã xác định được một nguồn quan trọng tạo ra các tia gamma mạnh mẽ phát ra trong những vụ phun trào dữ dội nhất của Mặt Trời.

Theo nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Astronomy, nhóm khoa học đến từ Trung tâm Nghiên cứu Mặt Trời – Trái Đất (CSTR) thuộc Viện Công nghệ New Jersey (NJIT) đã phát hiện một nhóm hạt năng lượng cao chưa từng được nhận diện trước đây trong tầng khí quyển trên của Mặt Trời. Những hạt này dường như là nguyên nhân tạo ra các tín hiệu bức xạ bí ẩn mà giới khoa học đã quan sát trong các vụ bùng phát Mặt Trời lớn suốt nhiều năm qua.

Nhóm nghiên cứu đã lần theo dấu vết của các tín hiệu này đến một khu vực nhỏ, tập trung trong vành nhật hoa của Mặt Trời, xuất hiện trong một vụ bùng phát cực mạnh cấp X8.2 vào ngày 10/9/2017. Tại đây, họ phát hiện số lượng khổng lồ các hạt đạt mức năng lượng lên tới hàng triệu electron volt (MeV), vượt xa mức năng lượng thường thấy trong các vụ bùng phát Mặt Trời và di chuyển với vận tốc gần bằng tốc độ ánh sáng.

Các nhà khoa học cho rằng những hạt này tạo ra tia gamma thông qua một quá trình gọi là bức xạ hãm (bremsstrahlung). Trong quá trình này, các hạt tích điện nhẹ như electron phát ra bức xạ năng lượng cao khi va chạm với vật chất trong khí quyển Mặt Trời.

Nhóm nghiên cứu cho biết phát hiện này giúp giải quyết những câu hỏi tồn tại lâu nay về cách các vụ bùng phát Mặt Trời tạo ra bức xạ cực đoan. Đồng thời, kết quả này có thể dẫn tới các mô hình mô phỏng hành vi của Mặt Trời chính xác hơn, qua đó cải thiện khả năng dự báo thời tiết không gian.

“Chúng tôi biết rằng các vụ bùng phát Mặt Trời tạo ra một tín hiệu tia gamma đặc biệt, nhưng chỉ riêng dữ liệu đó thì không thể xác định được nguồn gốc hay cơ chế hình thành của nó,” giáo sư Gregory Fleishman, nhà nghiên cứu vật lý tại NJIT-CSTR và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. “Thiếu thông tin then chốt này, chúng tôi không thể hiểu đầy đủ bản chất của các hạt liên quan hay đánh giá tác động tiềm tàng của chúng đối với môi trường thời tiết không gian. Bằng cách kết hợp các quan sát tia gamma và vi sóng từ một vụ bùng phát Mặt Trời, cuối cùng chúng tôi đã giải được bài toán này.”

Kết hợp quan sát từ không gian và mặt đất

Để xác định chính xác nguồn phát bức xạ, nhóm nghiên cứu NJIT đã kết hợp dữ liệu quan sát vụ bùng phát năm 2017 từ hai thiết bị bổ trợ cho nhau: Kính viễn vọng Không gian tia gamma Fermi của NASA và Hệ thống kính thiên văn vô tuyến Expanded Owens Valley Solar Array (EOVSA) do NJIT vận hành tại bang California.

Trong khi kính Fermi ghi lại chi tiết các tia gamma năng lượng cao phát ra trong vụ bùng phát, EOVSA cung cấp hình ảnh vi sóng cho thấy đường đi của các hạt năng lượng trong vành nhật hoa Mặt Trời.

Khi phân tích đồng thời hai bộ dữ liệu, nhóm nghiên cứu đã xác định một khu vực cụ thể trong khí quyển Mặt Trời, được gọi là “Vùng quan tâm 3” (Region of Interest 3 – ROI 3). Khu vực này nổi bật so với hai vùng đã được nghiên cứu trước đó (ROI 1 và ROI 2) vì tại đây xuất hiện sự chồng lấp giữa tín hiệu vi sóng và tia gamma, cho thấy sự tồn tại của một quần thể hạt có mức năng lượng đặc biệt cao.

Sự trùng khớp này chỉ ra một nhóm hạt độc đáo được gia tốc lên tới mức năng lượng MeV.

“Không giống các electron thường được gia tốc trong các vụ bùng phát Mặt Trời — vốn có số lượng giảm dần khi năng lượng tăng — quần thể hạt mới được phát hiện này lại rất bất thường, khi phần lớn các hạt đều mang năng lượng cực cao, cỡ hàng triệu electron volt, trong khi số electron năng lượng thấp lại tương đối ít,” Fleishman giải thích.

Thông qua các mô hình tiên tiến, nhóm nghiên cứu đã liên kết trực tiếp phân bố năng lượng của các hạt này với phổ tia gamma quan sát được, qua đó xác định bức xạ hãm là nguồn phát tia gamma bí ẩn lâu nay — loại ánh sáng năng lượng cao thường sinh ra khi electron va chạm với plasma Mặt Trời.

Hàm ý đối với vật lý bùng phát Mặt Trời

Fleishman cho biết thêm rằng các quan sát tại ROI 3 — nằm gần những khu vực có sự suy giảm mạnh của từ trường và quá trình gia tốc hạt dữ dội — củng cố các giả thuyết lâu đời về cách các vụ bùng phát Mặt Trời gia tốc các hạt lên mức năng lượng cực lớn và duy trì chúng.

“Chúng tôi thấy bằng chứng rõ ràng rằng các vụ bùng phát Mặt Trời có thể gia tốc hiệu quả các hạt tích điện lên năng lượng rất cao thông qua việc giải phóng năng lượng từ trường tích trữ. Những hạt được gia tốc này sau đó tiến hóa thành quần thể hạt đỉnh MeV mà chúng tôi vừa phát hiện,” ông nói.

Hiện tại, theo Fleishman, vẫn còn nhiều câu hỏi quan trọng xoay quanh các quần thể hạt năng lượng cực đoan này.

Những hiểu biết quan sát mới trong tương lai có thể sớm đến từ hệ thống EOVSA, hiện đang được nâng cấp thành EOVSA-15. Dự án này do giáo sư vật lý NJIT-CSTR và giám đốc EOVSA Bin Chen — đồng tác giả của nghiên cứu — dẫn dắt, được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ (NSF), với việc bổ sung 15 ăng-ten mới và các bộ thu siêu băng rộng tiên tiến.