Phát hiện vành bức xạ thứ ba trong vành đai Van Allen

Một vành bức xạ trước đây chưa từng thấy hình thành bên trong vành đai Van Allen của Trái đất hồi tháng 9 năm 2012 và rồi biến mất một tháng sau đó. Đó là kết luận của một đội nghiên cứu ở Mĩ, họ đã phân tích dữ liệu đầu tiên có được từ cặp phi thuyền song sinh thuộc sứ mệnh Tàu thám hiểm Van Allen của NASA. Cái vành khác thường – tạo nên bởi những electron năng lượng cao – vẫn khá ổn định, cho đến khi nó bị phá vỡ và “hầu như hủy mất” bởi một sóng xung kích mạnh liên hành tinh. Kết quả mới cho thấy chúng ta cần hiểu rõ hơn cơ chế ẩn sau sự hoạt động của vành đai Van Allen.

Được khám phá bởi nhà vật lí người Mĩ James van Allen hơn 50 năm trước, vành đai Van Allen có hai vòng đồng tâm “hình bánh rán” vây xung quanh hành tinh của chúng ta. Chúng được duy trì tại chỗ bởi từ trường của Trái đất và chứa đầy những hạt năng lượng cao. Vòng bên ngoài chủ yếu gồm những electron MeV biến thiên cường độ theo chu kì hàng giờ đến hàng ngày, tùy thuộc vào gió mặt trời. Vòng bên trong gồm hỗn hợp những electron năng lượng cao và những proton năng lượng cực cao.

Hai vành bức xạ khổng lồ, gọi là vành đai Van Allen, bao xung quanh Trái đất được phát hiện vào năm 1958. Trong năm 2012, các quan sát từ Tàu thám hiểm Van Allen cho thấy một cái vành thứ ba thỉnh thoảng có thể xuất hiện. Ở đây vành bức xạ được thể hiện bằng màu vàng, còn màu lục thể hiện khoảng cách giữa các vành bức xạ. Ảnh: NASA/Van Allen Probes/Goddard Space Flight Center

Vành đai Van Allen được giam cầm bên trong từ quyển của Trái đất và trải rộng từ độ cao khoảng 1.000 đến 60.000 km phía trên mặt đất. Chúng có xu hướng phồng lên và co lại theo thời gian vì chúng bị chi phối bởi gió mặt trời và tia vũ trụ. Lượng cao bức xạ bên trong vành đai khiến chúng là mối đe dọa đối với các vệ tinh trong quỹ đạo địa tĩnh, chúng phải mang những tấm chắn hiệu quả nếu quỹ đạo của chúng nằm trong vành đai này.

Để hiểu rõ hơn vành đai Van Allen, NASA đã phóng sứ mệnh Tàu thám hiểm Van Allen vào ngày 30 tháng 8 năm 2012 để nghiên cứu cả hai vành bức xạ. Sứ mệnh gồm hai phi thuyền vũ trụ được trang bị những thiết bị hạt năng lượng cao, plasma và từ trường, cộng với những bộ cảm biến sóng plasma để nghiên cứu cả hai vành. Mục tiêu của sứ mệnh bao gồm tìm hiểu xem các hạt được gia tốc, truyền đi và biến mất như thế nào khỏi vành đai đồng thời xác định thời tiết vũ trụ có ảnh hưởng như thế nào đến vùng bức xạ này.

Tuy nhiên, khi Dan Baker ở trường Đại học Colorado và các đồng sự phân tích dữ liệu đầu tiên thu từ sứ mệnh trên, họ tìm thấy “vòng trữ điện” mới bất ngờ và hoàn toàn nằm ngoài trông đợi cư ngụ giữa hai cái vành đã biết, nó dường như xuất hiện sau ngày 2 tháng 9 năm ngoái. Theo một bài báo công bố trên tạp chí Science, cái vành tách biệt đó gồm những electron năng lượng cao chỉ biến đổi từ từ cho đến khi nó đột ngột biến mất hôm 1 tháng 10. Trong khi vành phía trong của vành đai Van Allen và vành mới biểu hiện rất ít sự biến đổi trong hơn bốn tuần, nhưng phần ở xa hơn của vành đai Van Allen phía ngoài có vẻ biến đổi đáng kể trong khoảng thời gian đó. Cuối cùng, lúc cái vòng mới biến mất, hầu như toàn bộ lượng electron vùng ngoài đã bị xóa sổ, theo những bộ cảm biến gắn trên hai phi thuyền đo được.

Baker lí giải rằng các nhà nghiên cứu chưa biết được cái vòng thứ ba này hình thành có chu kì hay rất hiếm khi xảy ra. “Đây là một trong những cái chúng tôi thật sự muốn nghiên cứu kĩ lưỡng với Tàu thăm dò Van Allen trong thời gian dài hạn. Chúng tôi không thấy một sự xuất hiện lại nào trong những tháng gần đây,” ông nói. Sóng xung kích liên hành tinh, cái được cho là nguyên nhân làm phá hủy cái vòng mới, là một nhiễu loạn lan truyền ra từ một sự kiện phun trào vật chất vành nhật hoa từ bề mặt của Mặt trời, làm tác động đến từ quyển của Trái đất. “Nó tạo ra một sự tăng đột ngột ở tốc độ gió mặt trời, mật độ gió mặt trời và độ lớn từ trường,” Baker giải thích. “Chúng tôi sẽ hăm hở biết mấy nếu thấy loại sự kiện này xảy ra lần nữa. Chúng tôi không nhìn thấy nó trong năm tháng vừa qua.”

Theo các nhà nghiên cứu, những nghiên cứu trước đây cho thấy rằng mật độ electron vùng ngoài dễ bị ảnh hưởng hơn nhiều bởi thời tiết vũ trụ và sẽ thể hiện một phản ứng trực tiếp trước sự biến thiên ở gió mặt trời, từ trường liên hành tinh và hoạt động địa từ. Thật vậy, họ khẳng định rằng sự hình thành của “vòng trữ” mới tự nó có thể có cội nguồn từ sự thất thoát electron vành đai ngoài xảy ra hôm 3 tháng 9 gây ra bởi một sóng xung kích trước đó được phát hiện dưới dạng một sự tăng đột biến tốc độ gió mặt trời và một sự biến đổi đột ngột ở từ trường liên hành tinh.

Theo Baker, kết quả bất ngờ này “cho thấy rằng một số niềm tin ‘quý báu’ nhất của chúng ta về cấu trúc và động lực học vành đai bức xạ phải được xét lại ở một cấp độ cơ bản. Chúng ta sẽ phải xem điều này có nghĩa là gì đối với các hoạt động phi thuyền vũ trụ trong tương lai, vân vân.”

Nguồn: physicsworld.com, EarthSky.org