Các electron năng lượng cực cao bị bẫy như thế nào trong vành đai bức xạ Van Allen của Trái đất? Cuộc tranh luận cuối cùng đã chuyển sang hồi kết. Dữ liệu mới đây từ sứ mệnh Tàu khảo sát Van Allen của NASA cho thấy các electron bị gia tốc cục bộ qua các tương tác sóng-hạt, thay vì chuyển động xuyên tâm vào từ bên ngoài vành đai. Nghiên cứu phân biệt rõ giữa hai loại gia tốc. Biết được quá trình gia tốc xảy ra ở đâu là cần thiết để đưa ra những dự báo thời tiết vũ trụ chính xác hơn, đồng thời các biến đổi trong vành đai bức xạ có thể gây ảnh hưởng đến quỹ đạo của các vệ tinh địa tĩnh hoặc gây hỏng hóc.
Vành đai bức xạ Van Allen gồm hai vòng khuyên, đồng tâm, cấu tạo gồm các electron năng lượng cao với cường độ biến thiên. Vành đai nằm trong từ quyển của Trái đất và trải ra cách mặt đất từ 1.000 đến 60.000 km. Mặc dù đã được khám phá bởi nhà vật lí người Mĩ James Van Allen hơn 50 năm trước, nhưng vành đai Van Allen cho đến nay vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Theo nhà nghiên cứu Geoffrey Reeves tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos ở Mĩ, tác giả đứng tên đầu của nghiên cứu trên, dữ liệu quan sát trước đây thu thập vào thập niên 1990 không khớp với các lí thuyết thông thường lúc ấy, khiến các nhà nghiên cứu nghi vấn và tranh cãi về những quá trình nào thật sự đang điều khiển cường độ của vành đai bức xạ.
Hình minh họa sự gia tốc cục bộ của các electron trong vành đai bức xạ Van Allen đo bởi hai vệ tinh thám hiểm bão vành đai bức xạ Van Allen của NASA. Sự gia tốc cục bộ của các electron thuộc vành đai bức xạ là do cộng hưởng với sóng điện từ xảy ra khi một sóng điện từ (màu xanh) chuyển động xoắn ốc xung quanh từ trường với tốc độ bằng tốc độ của electron (màu đỏ). Ảnh: Geoff Reeves, Los Alamos National Laboratory
Những quá trình thất thường
Ví dụ, người ta cho rằng mọi cơn bão từ đều làm mạnh thêm đối với vành đai bức xạ nhưng một nghiên cứu do Reeves và các đồng sự thực hiện vào năm 2003 cho thấy chỉ một nửa số cơn bão từ có làm mạnh thêm vành đai bức xạ. Bất ngờ hơn, họ tìm thấy rằng khoảng một phần tư số cơn bão từ làm trút tháo vành đai bức xạ, làm cho chúng yếu đi. Reeves cho biết sứ mệnh Tàu khảo sát Van Allen, được phóng lên quỹ đạo hôm 30/8/2012, được thiết kế đặc biệt để bay thẳng qua vành đai bức xạ và khám phá xem những quá trình nào điều khiển cường độ của vành đai bức xạ và chúng biến đổi như thế nào.
Những lí thuyết trước đây đề xuất hai cơ chế khả dĩ chi phối các electron trong vành đai bức xạ - sự gia tốc cục bộ và gia tốc xuyên tâm. Trong quá trình gia tốc xuyên tâm, các electron chạy vuông góc với từ trường của Trái đất, từ nơi có từ trường yếu ở xa Trái đất đến nơi có từ trường mạnh ở gần Trái đất hơn. Chuyển động này có gia tốc vì các electron sẽ tăng tốc khi độ lớn của từ trường tăng thêm. Mặt khác, lí thuyết gia tốc cục bộ cho rằng các electron năng lượng thấp thu năng lượng tại chỗ, từ một nguồn nằm tại tâm của vành đai bức xạ.
Reeves cho biết các sứ mệnh vệ tinh trước đây đã cung cấp bằng chứng trêu ngươi cho sự gia tốc cục bộ, nhưng luôn có những hạn chế. “Về cơ bản, không phe bên nào thuyết phục được phe bên kia rằng sự gia tốc cục bộ có xảy ra hoặc không xảy ra,” ông nói. Ông giải thích rằng cặp tàu khảo sát Van Allen có ba đặc điểm khiến các quan sát mới là độc nhất vô nhị, đó là “các thiết bị thích hợp bao quát một ngưỡng rộng năng lượng với độ nhạy cao, một quỹ đạo gần xích đạo cắt qua vành đai ở những cao độ khác nhau, và hai vệ tinh có thể phân giải rõ cái gì đang biến thiên theo thời gian hoặc theo không gian hoặc cả hai.”
Tăng nhanh
Ngày 9/10/2012, Reeves và đội của ông đã quan sát thấy một sự tăng năng lượng nhanh trong trong phổ năng lượng của các electron trong vành đai bức xạ kéo dài trong khoảng 12 giờ. Nếu gia tốc là do chuyển động xuyên tâm, thì các hiệu ứng trước tiên sẽ được đo ở xa Trái đất và từ từ di chuyển vào phía trong. Thay vậy, các phép đo của họ cho thấy sự tăng năng lượng electron bắt đầu ở vùng giữa của vành đai bức xạ và từ từ lan tỏa vào phía trong lẫn ra phía ngoài, gợi ý đến một nguồn gia tốc cục bộ.
Nhờ các quá trình mặt trời ảnh hưởng đến từ quyển và vành đai bức xạ của Trái đất, cho nên có một cực đại trong cường độ của các vành đai. Sự gia tốc cục bộ xảy ra là do tương tác cộng hưởng của các eletron vành đai bức xạ với sóng điện từ có mặt tự nhiên. Nếu một sóng điện từ chuyển động xoắn ốc xung quanh từ trường với tốc độ bằng tốc độ của electron, thì sóng đó cấp cho electron một loại xung rạch ròi làm tăng tốc độ của electron. Một khi electron đã được gia tốc cục bộ, chúng phân tán vào bên trong lẫn ra bên ngoài, nhưng khi các electron khuếch tán ra bên ngoài chúng mất dần năng lượng. “Cho nên, sự khuếch tán vẫn xảy ra nhưng nó không phải là nguyên nhân của sự tăng tốc,” Reeves nói.
Các electron năng lượng MeV này có thể dễ dàng xâm nhập vào các vệ tinh và linh kiện điện tử của chúng, làm cho chúng hoạt động không ổn hoặc hỏng hóc hoàn toàn. Biết được các electron năng lượng cao này đến từ đâu và cái gì cấp năng lượng cho chúng là một bước quan trọng trong dự báo các đe dọa đối với vệ tinh. Reeves cho biết ông cảm thấy “có vô vàn cái còn hấp dẫn hơn để khảo sát dữ liệu Tàu khảo sát Van Allen”.
Tham khảo: Science 10.1126/science.1237743
Theo physicworld.com
