Xét về mặt thiên văn học, Mặt Trời là một ngôi sao khá bình thường. Tuy nhiên, từ “bình thường” này đôi khi có thể gây ra khá nhiều sự hiểu lầm. “Bình thường” ở đây có nghĩa là nó không quá nóng và cũng không quá lạnh, không quá già hay cũng không quá trẻ, không quá lớn hay cũng không quá nhỏ. Và chính những điều “bình thường” đã giúp cho sự sống ở trên Trái Đất có thể xuất hiện và phát triển cho đến ngày nay. Vì vậy, theo một nghĩa nào đó, Mặt Trời cũng thật đặc biệt.

Không dừng lại ở đó, độ sáng và cân nặng của nó cũng lớn hơn 90% so với các ngôi sao trong Dải Ngân Hà, một thông số có thể nói là khá ấn tượng so với một ngôi sao “bình thường” mà chúng ta thường hay gọi nó.

Cũng giống như việc nghiên cứu Trái Đất sẽ giúp chúng ta hiểu được những dữ liệu thu thập được về các hành tinh xa xôi hơn, Mặt Trời cũng đóng vai trò là “kim chỉ nam” cho các nhà thiên văn học trong việc giải mã những thông điệp ẩn chứa bên trong quang phổ mà họ nhận được từ các ngôi sao xa xôi. Bên cạnh đó, Mặt Trời cũng là một “case-study” điển hình giúp chúng ta có thể hiểu rõ hơn về cấu trúc và hành vi của các ngôi sao ở bên kia Dải Ngân Hà hoặc ở các thiên hà khác. Vì vậy, Mặt Trời có thể là “bình thường” khi so sánh với những ngôi sao khác nhưng đối với chúng ta, nó là tất cả.

1. Thành phần bên trong bầu khí quyển của Mặt Trời

Mặt Trời, cũng giống như một ngôi sao điển hình, là một quả cầu khí khổng lồ, vô cùng nóng và có thể tự phát sáng. Và để giúp bạn dễ hình dung hơn về từ “khổng lồ”, đường kính của Mặt Trời là đủ lớn để chứa được 109 Trái Đất xếp cạnh nhau, và thể tích của nó đủ để chứa khoảng 1,3 triệu Trái Đất bên trong.

Mặt Trời không có bề mặt rắn để bạn có thể đặt chân lên hay các lục địa trôi nổi trên bề mặt như Trái Đất. Nó cũng chẳng có lõi rắn làm từ kim loại hay bất kỳ loại đá nào. Tuy nhiên, cấu trúc của nó vẫn rất phức tạp và có thể được mô tả giống như một củ hành. 

Chúng ta hãy cùng bắt đầu với bầu khí quyển của Mặt Trời. Tại đây, chúng ta có thể sử dụng vạch hấp thụ trên quang phổ của một ngôi sao để xác định các nguyên tố có trong Mặt Trời. Hóa ra, Mặt Trời cũng chứa các nguyên tố giống như Trái Đất nhưng không theo cùng một tỷ lệ. Khoảng 73% khối lượng của Mặt Trời là hydro và 25% là heli. Tất cả các nguyên tố hóa học khác (bao gồm cả những nguyên tố mà chúng ta đã rất quen thuộc, chẳng hạn như carbon, oxy và nitơ) chỉ chiếm 2% trong tổng khối lượng của ngôi sao này.

Hầu hết các nguyên tố được tìm thấy trong Mặt Trời đều ở dạng nguyên tử cùng với một số ít các phân tử, tất cả đều ở dạng khí. Mặt Trời nóng đến mức không có vật chất nào có thể tồn tại ở thể lỏng hoặc thể rắn. Rất nhiều nguyên tử trong số này đã bị ion hóa, tức là nguyên tử sẽ mất đi một hoặc nhiều electron. Việc loại bỏ electron ra khỏi nguyên tử có nghĩa là Mặt Trời sẽ có một lượng lớn electron trôi nổi tự do cùng với ion mang điện tích dương, tạo ra một môi trường tích điện (Các nhà khoa học đặt tên cho trạng thái này là plasma)

2. Cấu trúc tổng quan của Mặt Trời

Mặt Trời là một ngôi sao có khá nhiều lớp khác nhau và mỗi lớp đều đóng một vai trò quan trọng giúp cho Mặt Trời có thể tự mình sản xuất ra năng lượng. Chúng ta hãy cùng nhau bắt đầu từ trong ra ngoài. 

Trước tiên, phần lõi (Core) của Mặt Trời là cực kỳ đặc và đóng vai trò giống như một “nhà máy” sản xuất năng lượng thông qua các phản ứng tổng hợp hạt nhân. Lõi chiếm khoảng 20% ​​kích thước bên trong Mặt Trời và được cho là có nhiệt độ rơi vào khoảng 15 triệu Kelvin – thành phần nóng nhất của Mặt Trời.

Tiếp theo, bao xung quanh phần lõi chính là vùng bức xạ (Radiative Zone) — được đặt tên theo phương thức vận chuyển năng lượng tại đây. Ánh sáng (các hạt photon) được tạo ra ở bên trong lõi di chuyển rất chậm khi đi qua vùng này. Lý do là bởi đây là một khu vực có mật độ vật chất rất cao, điều này khiến cho photon không thể di chuyển mà không phải đâm sầm phải một hạt nào đó, từ đó khiến cho nó đổi hướng và mất đi một phần năng lượng.

Vùng đối lưu (Convection Zone) chính là lớp ngoài cùng của Mặt Trời. Đó là một lớp dày khoảng 200.000 km, vận chuyển năng lượng từ rìa vùng bức xạ lên bề mặt thông qua các vòng đối lưu khổng lồ: Plasma nóng bỏng ở đáy vùng đối lưu sẽ di chuyển lên trên bề mặt, nơi nó sẽ bị mất nhiệt vào không gian. Và khi plasma nguội đi, nó lại di chuyển trở về đáy.

Sau khi đã điểm qua cấu trúc tổng quan của Mặt Trời, tiếp theo, chúng ta sẽ bắt đầu hành trình khám phá từ ngoài vào trong, bắt đầu với…

3. Quang quyển (Photosphere)

Nếu những ai đang sinh sống tại Hà Nội (hoặc có thể ở các thành phố lớn khác), rất có thể bạn sẽ phải hít thở một bầu không khí có chất lượng khá là tệ. Và điều này thực sự có thể được kiểm chứng bằng mắt thường, nhất là vào buổi sáng: Toàn thành phố được bao trùm bởi một lớp khí trắng mờ đục như khói và chúng ta chỉ thấy thấp thoáng những tòa nhà cao tầng ở gần đó. Và điều tương tự cũng xảy ra đối với Mặt Trời. Bầu khí quyển bên ngoài của nó là trong suốt, cho phép chúng ta có thể nhìn xuyên qua nó trong một khoảng cách nhất định. Nhưng nếu chúng ta cố gắng nhìn sâu hơn nữa vào bên trong, chúng ta sẽ chẳng nhìn thấy gì cả. Và quang quyển chính là lằn ranh cuối cùng này: Khi chúng ta nhìn vào Mặt Trời, chúng ta đang nhìn vào quang quyển.

Quang quyển cùng với các vết đen Mặt Trời. Các vết đen Mặt Trời có màu tối hơn vì chúng có nhiệt độ thấp hơn. Nhiệt độ điển hình ở trung tâm của một vết đen Mặt Trời rơi vào khoảng 3800 K, trong khi quang quyển có nhiệt độ khoảng 5800 K.

Như chúng ta đã biết, năng lượng phát ra từ quang quyển ban đầu được tạo ra từ sâu bên trong lõi. Từ đây, các photon di chuyển chậm rãi lên trên bề mặt Mặt Trời. Khi đứng ở bên ngoài, chúng ta chỉ có thể quan sát được những photon đến từ quang quyển – nơi có mật độ đủ thấp để các photon có thể thoát ra mà không phải va chạm với nguyên tử hoặc ion khác.

Để dễ hình dung hơn, hãy tưởng tượng bạn đang tham dự một lễ hội âm nhạc sôi động và đã tìm được một vị trí “đắc địa” ở gần trung tâm. Thế nhưng bạn bè của bạn lại đến muộn và gọi điện rủ bạn ra đứng ở phía ngoài rìa. Do bạn không biết cách nói “không” nên bạn lại cố gắng len lỏi qua một đám đông dày đặc để cố thoát ra ngoài. Bạn chỉ di chuyển được một đoạn ngắn trước khi va phải một ai đó, đổi hướng và cố gắng thoát ra bên ngoài. Trong suốt khoảng thời gian đó, những nỗ lực của bạn không được những người bạn đang ngóng chờ ở ngoài nhìn thấy. Họ không thể nhìn thấy bạn vì đang có quá nhiều người trước mặt. Tương tự như vậy, các photon di chuyển từ bên trong lõi của Mặt Trời liên tục va chạm với các nguyên tử, đổi hướng rồi tiếp tục di chuyển và chỉ được quan sát thấy khi chúng tiến đến bầu khí quyển của Mặt Trời, nơi có mật độ đủ thấp để các photon có thể thoát ra và đi tới mắt bạn.

Các nhà thiên văn học đã phát hiện ra rằng bầu khí quyển của Mặt Trời thay đổi từ trạng thái gần như trong suốt hoàn toàn sang hoàn toàn mờ đục trong khoảng cách hơn 400km. Và đây chính là quang quyển. 

Bạn chỉ có thể nhìn thấy quang quyển nếu đứng ở xa. Giả dụ, khi bạn rơi vào Mặt Trời, bạn sẽ không thể sờ được bất cứ bề mặt nào mà chỉ có thể cảm nhận được sự gia tăng dần dần của mật độ khí xung quanh. Điều này cũng giống như việc chạm tay vào làn khói vậy. Bạn có thể nhìn thấy một làn khói trắng đang bốc lên, nhưng bạn lại không thể “sờ” được vào nó.

Thông qua các quan sát bằng kính viễn vọng, chúng ta có thể thấy rằng bề mặt quang quyển trông có vẻ khá giống với một nồi cháo đang sôi. Và cấu trúc này là kết quả của quá trình tạo hạt (granulation). Các hạt này thường có đường kính dao động từ 700 đến 1000 km, xuất hiện dưới dạng các vùng sáng được bao quanh bởi các vùng hẹp và tối hơn (lạnh hơn). Tuổi đời của chúng chỉ kéo dài từ 5 đến 10 phút. Các cấu trúc lớn hơn được gọi là các siêu hạt, có đường kính rơi vào khoảng 35.000 km (tương đương với hai Trái đất) và tồn tại trong khoảng 24 giờ.

Trong nồi cháo đang sôi sùng sục này, các hạt đang phát sáng là phần đỉnh của các cột khí nóng hơn đang bốc lên với tốc độ từ 2 đến 3 km/s từ các lớp bên dưới quang quyển. Tại đây, nó lan rộng ra, nguội đi và chìm trở lại vào các vùng tối hơn giữa các hạt.

4. Sắc quyển (Chromosphere)

Không dừng lại ở quang quyển, các lớp khí bên ngoài của Mặt Trời còn trải rộng ra xa hơn nữa. Và các lớp ở bên ngoài này rất khó quan sát thấy. Vùng khí nằm ngay phía trên quang quyển được gọi là sắc quyển. Cho đến nay, sắc quyển chỉ có thể nhìn thấy được khi quang quyển bị Mặt Trăng che khuất trong hiện tượng nhật thực toàn phần. Vào thế kỷ XVII, một số nhà quan sát đã mô tả những gì họ nhìn thấy là một “viền” đỏ hẹp bao xung quanh rìa Mặt Trăng. Viền đỏ này được đặt tên là sắc quyển.

Thông qua quan sát và các phép đo, người ta đã biết rằng sắc quyển có độ dày khoảng 2000 đến 3000 km. Và màu đỏ của sắc quyển mà chúng ta đang thấy ở hình ảnh bên trên được tạo nên bởi hydro, một nguyên tố chiếm ưu thế trong thành phần của Mặt Trời.

Sắc quyển cũng có một đặc điểm khá thú vị: Nhiệt độ của nó rơi vào khoảng 10.000 Kelvin. Điều này có nghĩa là sắc quyển nóng hơn so với quang quyển, một điều nghe có vẻ khá phản trực giác (Thông thường, nhiệt độ sẽ ngày một giảm dần khi càng ở xa nguồn nhiệt, và sắc quyển lại nằm xa tâm Mặt Trời hơn so với quang quyển, lẽ ra nó phải có nhiệt độ thấp hơn)

5. Vùng chuyển tiếp

Sự gia tăng nhiệt độ không chỉ dừng lại ở tầng sắc quyển. Phía trên nó xuất hiện một vùng nơi mà nhiệt độ thay đổi từ 10.000 K lên đến hơn 1 triệu độ. Phần nóng nhất trong bầu khí quyển của Mặt Trời, vùng có nhiệt độ lên đến hơn một triệu độ, được gọi là vành nhật hoa. Còn đối với phần của Mặt Trời nơi xảy ra sự tăng nhiệt độ nhanh chóng được gọi là vùng chuyển tiếp – một vùng có lẽ chỉ dày khoảng vài chục km.

6. Vành nhật hoa (Corona)

Phần ngoài cùng của khí quyển Mặt Trời được gọi là vành nhật hoa (corona). Giống như sắc quyển, vành nhật hoa được quan sát thấy khi xảy ra hiện tượng nhật thực toàn phần. Không giống như sắc quyển, vành nhật hoa đã được biết đến từ rất lâu về trước: nó đã được nhà sử học La Mã Plutarch đề cập đến và được Kepler thảo luận khá chi tiết.

Vành nhật hoa trải rộng hàng triệu km phía trên quang quyển. Và nguyên nhân làm cho chúng ta không thể nhìn thấy ánh sáng này cho đến khi nhật thực xảy ra là do quang quyển. Cũng giống như những ánh đèn đường rực rỡ của thành phố đã làm cho ánh trăng trở nên mờ nhạt, ánh sáng mạnh từ quang quyển đã che khuất ánh sáng yếu ớt từ vành nhật hoa. Hiện nay, chúng ta có thể quan sát được ánh sáng tại đây bằng một thiết bị đặc biệt – kính quan sát vành nhật hoa. Thiết bị này có thể loại bỏ ánh sáng chói lòa của quang quyển bằng một mảnh vật liệu hình tròn được giữ sao cho nó nằm ngay trước Mặt Trời.

Các nghiên cứu về quang phổ cho thấy vành nhật hoa có mật độ rất thấp. Ở vùng đáy vành nhật hoa, chỉ có khoảng 10⁹ nguyên tử trên 1cm³ so với khoảng 10¹⁶ nguyên tử trên 1cm³ ở tầng quang quyển và 10¹⁹ phân tử trên 1cm³ trong bầu khí quyển Trái Đất tại mực nước biển. Và vành nhật hoa ngày càng loãng hơn khi ở độ cao lớn hơn.

7. Gió Mặt Trời (Solar Wind)

Một trong những khám phá đáng chú ý nhất về bầu khí quyển của Mặt Trời là nó tạo ra một dòng các hạt mang điện (chủ yếu là proton và electron) mà chúng ta gọi là gió mặt trời. Những luồng vật chất này di chuyển với tốc độ rơi vào khoảng 400 km/s! 

Gió mặt trời tồn tại là do các nguyên tử khí trong vành nhật hoa là quá nóng và chuyển động quá nhanh đến nỗi chúng không thể bị lực hấp dẫn của Mặt Trời giữ lại. Mặc dù mật độ vật chất của gió mặt trời là rất loãng, nhưng Mặt Trời lại có diện tích bề mặt khổng lồ. Các nhà thiên văn học ước tính rằng Mặt Trời đang mất khoảng 1 đến 2 triệu tấn vật chất mỗi giây thông qua những luồng gió này. Mặc dù con số này nghe có vẻ là rất nhiều, nhưng so với khối lượng khổng lồ của Mặt Trời thì nó quá là nhỏ bé, nhỏ đến mức chúng ta có thể coi nó bằng không.

Vậy thì gió mặt trời xuất phát từ đâu? Trong các bức ảnh chụp với bước sóng ánh sáng khả kiến, vành nhật hoa trông khá đồng nhất và mịn. Tuy nhiên, hình ảnh tia X và tia cực tím cho thấy vành nhật hoa có các vòng xoắn, các luồng khí và có cả các vùng sáng lẫn vùng tối. Tại các vùng tối của vành nhật hoa, nhiệt độ tại đây là tương đối thấp (so với các vùng xung quanh) và được gọi là các lỗ vành nhật hoa. Tại các vùng này, các đường sức từ vươn ra xa khỏi Mặt Trời và không vòng trở lại bề mặt. Gió Mặt Trời chủ yếu đến từ các lỗ vành nhật hoa này – nơi khí có thể thoát ra mà không bị cản trở bởi từ trường.

Trước khi kính viễn vọng được phát minh, người ta cho rằng Mặt Trời là một vật thể có hình cầu hoàn hảo và bất biến. Giờ đây, chúng ta biết rằng Mặt Trời luôn trong trạng thái biến đổi liên tục: bề mặt của nó là một cái chảo sôi sục, chứa đầy khí nóng. Những vùng tối hơn và lạnh hơn so với phần còn lại của bề mặt xuất hiện rồi biến mất. Những cột khí khổng lồ phun trào vào tầng sắc quyển và vành nhật hoa. Thỉnh thoảng, chúng còn có thể nhìn thấy những vụ nổ khổng lồ trên Mặt Trời, phóng ra những luồng hạt tích điện và nguồn năng lượng khổng lồ lao về phía Trái Đất. Và khi chúng đến nơi, chúng có thể gây ra mất điện và kéo theo những ảnh hưởng nghiêm trọng khác đối với hành tinh của chúng ta.

8. Vết đen Mặt Trời (Sun Spot)

Các bằng chứng đầu tiên cho thấy rằng Mặt Trời liên tục thay đổi đến từ các nghiên cứu về vết đen mặt trời – những điểm lớn, tối như mực được nhìn thấy bên trên bề mặt do hoạt động của từ trường Mặt Trời. Các vết đen này thường có nhiệt độ rơi vào khoảng 3800 K trong khi các vùng sáng bao quanh chúng có nhiệt độ là 5800 K. Thỉnh thoảng, những vết đen này có kích thước đủ lớn để chúng ta có thể nhìn thấy bằng mắt thường.

Mặc dù được gọi là các “vết đen” nhưng nhiệt độ ở đây vẫn là rất cao. Nếu các vết đen này, bằng một cách nào đó, có thể tách ra khỏi Mặt Trời, chúng sẽ tỏa ra ánh sáng rực rỡ. Chúng chỉ có màu tối hơn do sự tương phản với lớp quang quyển nóng hơn, sáng hơn ở xung quanh chúng.

Các vết đen Mặt Trời cứ xuất hiện rồi lại biến mất, với tuổi thọ từ vài giờ cho đến vài tháng. Cấu trúc của vết đen thường có hai phần: một vùng trung tâm đen kịt được gọi là vùng tối hoàn toàn (umbra) cùng với một vùng ít tối hơn xung quanh được gọi là vùng bán tối (penumbra). Nhiều vết đen có kích thước lớn hơn Trái Đất rất nhiều, một số còn đạt đến đường kính hơn 140.000 km. 

Thông thường, các vết đen thường xuất hiện theo cụm từ 2 đến 20 vết trở lên. Các nhóm lớn hơn thường rất phức tạp và có thể có hơn 100 vết đen. Giống như các cơn bão trên Trái Đất, các vết đen mặt trời không có vị trí cố định mà chúng luôn luôn di chuyển cùng với chuyển động quay của Mặt Trời.

Bằng cách ghi lại chuyển động biểu kiến ​​của các vết đen mặt trời, Galileo vào năm 1612 đã chứng minh rằng Mặt Trời đang tự quay quanh trục của nó với chu kỳ xấp xỉ 1 tháng. Ngôi sao của chúng ta quay theo hướng từ tây sang đông, giống như chuyển động của các hành tinh. Tuy nhiên, do Mặt Trời là một quả cầu khí, tốc độ quay của Mặt Trời thay đổi theo vĩ độ, tức là tốc độ quay sẽ thay đổi khi bạn di chuyển lên phía bắc hoặc về phía nam. Ở khu vực xích đạo, chu kỳ quay sẽ là 25 ngày; 28 ngày ở vĩ độ 40° và 36 ngày ở vĩ độ 80°. Chúng ta gọi hiện tượng này là quay vi sai.

Suốt từ năm 1826 đến năm 1850, Heinrich Schwabe, một dược sĩ người Đức kiêm nhà thiên văn học nghiệp dư, ngày qua ngày, đã ghi chép số lượng vết đen Mặt Trời.Lúc này, ông đang cố gắng tìm kiếm một hành tinh khác nằm bên trong quỹ đạo của sao Thủy. Schwabe hy vọng ông sẽ tìm thấy nó bằng cách quan sát thấy cái bóng của nó khi nó đi ở giữa Mặt Trời và Trái Đất. Ông đã không tìm thấy hành tinh mà mình hằng mong đợi, nhưng sự chăm chỉ của ông đã được đền đáp bằng một khám phá thậm chí còn quan trọng hơn: chu kỳ vết đen. Ông đã phát hiện ra rằng số lượng vết đen mặt trời biến đổi một cách có hệ thống trong khoảng một thập kỷ.

Điều mà Schwabe quan sát được là, mặc dù các vết đen riêng lẻ chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn, nhưng tổng số vết đen tại bất kỳ thời điểm nào có khả năng lớn hơn rất nhiều vào những thời điểm nhất định — các giai đoạn cực đại của vết đen mặt trời — so với những thời điểm khác — các giai đoạn cực tiểu của vết đen mặt trời. Hiện nay, chúng ta đã biết được rằng giai đoạn cực đại của vết đen mặt trời xảy ra trong khoảng thời gian trung bình là 11 năm và khoảng thời gian nằm giữa hai giai đoạn cực đại có thể dao động từ 9 năm cho đến 14 năm. Trong giai đoạn “cao điểm”, người ta có thể nhìn thấy sự xuất hiện của hơn 100 vết đen cùng một lúc. Còn trong giai đoạn “thấp điểm”, đôi khi chẳng có vết đen nào xuất hiện để cho chúng ta nhìn.

Vậy thì đâu là nguyên nhân khiến cho Mặt Trời lại thay đổi một cách đều đặn như vậy? Các nhà thiên văn học hiện nay đã hiểu rằng sự thay đổi trong từ trường của Mặt Trời chính là câu trả lời.

Từ trường của Mặt Trời được đo lường bằng cách sử dụng hiệu ứng Zeeman. Sau đây là một chút kiến thức về quang phổ: Một nguyên tử thường có nhiều mức năng lượng khác nhau và các vạch quang phổ được hình thành khi các electron chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác. Khi một electron thay đổi mức năng lượng, một vạch quang phổ sắc nét và hẹp sẽ được hình thành (có thể là vạch hấp thụ hoặc vạch phát xạ, tùy thuộc vào việc năng lượng của electron tăng hay giảm trong quá trình chuyển đổi)

Tuy nhiên, khi có từ trường mạnh, mỗi mức năng lượng sẽ bị tách thành nhiều mức rất gần nhau. Khoảng cách giữa các mức năng lượng này tỷ lệ thuận với cường độ của từ trường. Do đó, các vạch quang phổ hình thành khi có sự xuất hiện của các từ trường sẽ không phải là các vạch đơn lẻ mà là một chuỗi các vạch rất gần nhau. Đây được gọi là hiệu ứng Zeeman (được đặt theo tên nhà khoa học người Hà Lan, người đầu tiên phát hiện ra nó vào năm 1896)

Các phép đo trong quang phổ ánh sáng từ các vết đen mặt trời cho thấy chúng có từ trường rất mạnh. Như chúng ta đã biết, nam châm luôn có cực bắc và cực nam. Bất cứ khi nào có sự xuất hiện của một cặp vết đen mặt trời, hoặc một nhóm chứa hai vết đen chính, một vết đen sẽ là cực Bắc và vết đen còn lại sẽ là cực Nam. Hơn nữa, trong một chu kỳ nhất định, một các nhóm vết đen chính ở Bắc Bán cầu sẽ có cùng cực từ, trong khi các vết đen chính ở Nam Bán cầu sẽ có có cực từ ngược lại.

Tuy nhiên, trong chu kỳ tiếp theo, cực từ của các vết đen sẽ bị đảo chiều ở mỗi bán cầu. Ví dụ, trong chu kỳ đầu tiên, nếu một nhóm các vết đen chính ở Bắc Bán cầu đều là cực bắc thì một nhóm các vết đen chính ở Nam Bán cầu sẽ là cực nam. Trong chu kỳ tiếp theo, các vết đen chính ở Bắc Bán cầu sẽ bị đảo chiều trở thành cực nam trong khi các vết đen ở Nam Bán cầu sẽ trở thành cực bắc.

Trong hình ảnh bên trên, chúng ta có thể thấy rằng các vùng màu đen là nơi từ trường hướng vào bên trong lõi Mặt Trời trong khi các vùng màu trắng là nơi từ trường hướng ra xa lõi, về phía chúng ta.

Vậy thì tại sao từ trường của Mặt Trời lại có thể trở nên mạnh mẽ và phức tạp đến như vậy? Các nhà thiên văn học đã phát hiện ra rằng chính sự chuyển động hỗn loạn của các lớp khí ion hóa bên trong lòng Mặt Trời đã tạo ra một dòng điện – một dòng các electron chuyển động – từ đó tạo ra từ trường. Và chiếc “máy phát điện” này thường nằm ở bên trong vùng đối lưu hoặc nằm ở giữa vùng đối lưu và vùng bức xạ. 

Và khỏi cần phải nói, từ trường của Mặt Trời rất phức tạp. Các tính toán cho thấy khi Mặt Trời quay với các tốc độ khác nhau ở trên các vĩ độ khác nhau thì quá trình đối lưu bên dưới bề mặt Mặt Trời có thể làm xoắn và biến dạng các từ trường. Chúng phát triển, suy yếu rồi lại tái tạo với cực từ bị đảo chiều cứ khoảng 11 năm một lần.

9. Mặt Trời phun trào

Bên cạnh các vết đen mặt trời quang quyển, người ta cũng đã quan sát thấy những thay đổi rất mạnh mẽ trong sắc quyển và vành nhật hoa. 

Trước tiên, tại sắc quyển, như chúng ta đang thấy ở hình ảnh bên dưới, các vạch phát xạ của hydro và canxi được tạo ra trong các vùng khí nóng của tầng sắc quyển. Các nhà thiên văn học thường xuyên chụp ảnh Mặt Trời bằng các bộ lọc giúp chỉ tiếp nhận ánh sáng ở các bước sóng tương ứng với các vạch phát xạ này. Hình ảnh được chụp qua các bộ lọc đặc biệt này cho thấy các “đám mây” trắng sáng trong tầng sắc quyển xung quanh các vết đen mặt trời. Đây là những vùng có nhiệt độ và mật độ vật chất cao hơn so với các vùng xung quanh. Các vùng này dường như cũng “dung chứa” tất cả các nguyên tố có trong Mặt Trời, không chỉ là hydro và canxi (Chỉ là các vạch quang phổ của hydro và canxi được tạo ra bởi những đám mây này rất sáng và dễ quan sát)

Khi di chuyển lên cao hơn trong bầu khí quyển của Mặt Trời, chúng ta sẽ bắt gặp hiện tượng Mặt Trời “phun trào” (prominences) – một hiện tượng thường xuất hiện gần các vết đen Mặt Trời.

Trong hiện tượng nhật thực, các vụ phun trào này chính là ngọn lửa giống như hình chữ V ngược có màu đỏ hồng đang nổi lên trên bề mặt của Mặt Trời đang bị che khuất và kéo dài tới vành nhật hoa. Một số vụ “phun trào tĩnh” (quiescent prominences) là những vòng xoáy plasma (khí bị ion hóa) – một cấu trúc có thể duy trì gần như ổn định trong nhiều giờ hoặc thậm chí là nhiều ngày. Các vụ phun trào như thế này dường như có thể đẩy vật chất lên tới vành nhật hoa với tốc độ rất cao. Và các vụ bùng phát mạnh mẽ và dữ dội nhất có thể phun ra vật chất di chuyển với tốc độ 1300 km/s và đạt đến độ cao hơn 1 triệu km tính từ quang quyển.

10. Bão Mặt Trời & Sự phóng thích khối lượng vành nhật hoa

Một hiện tượng dữ dội nhất thường xảy ra trên bề mặt Mặt Trời là một vụ phun trào nhanh chóng thường được gọi là bão mặt trời (solar flare). Một cơn bão mặt trời điển hình thường kéo dài từ 5 đến 10 phút và giải phóng tổng lượng năng lượng tương đương với khoảng 1 triệu quả bom hydro. Những cơn bão mặt trời lớn nhất thường kéo dài vài giờ và phát ra lượng năng lượng đủ để sử dụng trong vòng 100.000 năm. Trong giai đoạn cực đại của vết đen mặt trời, các vụ bão nhỏ xảy ra khoảng vài lần mỗi ngày, và các vụ bão lớn có thể xảy ra vài tuần một lần.

Các vụ bùng phát năng lượng này thường được quan sát thấy bằng các sóng ánh sáng đỏ của hydro, nhưng dòng năng lượng nhìn thấy được này chỉ là một phần rất nhỏ. Vào thời điểm xảy ra vụ nổ, vật chất liên quan đến vụ bùng phát được nung nóng đến nhiệt độ lên tới 10 triệu Kelvin. Ở nhiệt độ này, một cơn bão bức xạ tia X và tia cực tím đã được phát ra.

Một điểm đặc điểm các cơn bão này là từ trường của chúng chiếm một thể tích khá lớn trong vành nhật hoa và giải phóng một lượng bức xạ điện từ khổng lồ. Trong một số trường hợp, một lượng lớn vật chất ở vành nhật hoa—chủ yếu là proton và electron—cũng có thể bị phóng ra với tốc độ rất cao (500–1000 km/s). Một vụ phóng thích khối lượng vành nhật hoa (CME) như vậy có thể ảnh hưởng đến Trái đất theo nhiều cách khác nhau.

Đây là một chuỗi các hình ảnh này cho thấy sự tiến hóa theo thời gian của một vụ phun trào khổng lồ trên Mặt Trời. (a) Sự kiện bắt đầu tại vị trí của một nhóm vết đen mặt trời; (b) một vụ bùng phát được nhìn thấy dưới dạng tia cực tím; (c) 14 giờ sau, một vụ phóng thích khối lượng nhật hoa đã xảy ra (d) 3 giờ sau, vụ phóng thích khối lượng nhật hoa này đã mở rộng để tạo thành một đám mây hạt tích điện khổng lồ thoát ra từ Mặt Trời (Vòng tròn màu trắng trong hình ảnh (c) và (d) thể hiện đường kính của quang quyển Mặt Trời. Vòng tròn tối hơn ở xung quanh cho thấy ánh sáng từ Mặt Trời đã bị chặn lại bởi một thiết bị được thiết kế đặc biệt giúp chúng ta có thể nhìn thấy ánh sáng phát ra từ vành nhật hoa)

Và để tổng kết lại, các nhà thiên văn học hiện nay đã nhận ra rằng các vết đen mặt trời, các cơn bão và các vùng sáng nằm trên sắc quyển và nhật quyển (vành nhật hoa) có xu hướng xuất hiện cùng nhau và biến đổi theo chu kỳ vết đen mặt trời.

Ví dụ, các vụ bùng phát năng lượng mặt trời có nhiều khả năng xảy ra vào thời điểm cực đại của vết đen mặt trời, và vành nhật hoa cũng dễ quan sát hơn vào thời điểm đó. Và nơi xảy ra các hiện tượng này được gọi là vùng hoạt động – một vùng luôn gắn liền với một từ trường rất mạnh.

Đây là một chuỗi bốn hình ảnh khác nhau của cùng một vụ bùng phát năng lượng vào ngày 22 tháng 10 năm 2012, từ trái sang phải: Ánh sáng từ Mặt Trời ở bước sóng 171 angstrom cho thấy cấu trúc của các vòng vật chất trong vành nhật hoa; tia cực tím ở bước sóng 304 angstrom cho thấy ánh sáng từ vùng khí quyển – nơi bắt nguồn của các vụ bùng phát năng lượng; ánh sáng ở bước sóng 335 angstrom cho thấy hình ảnh của các vùng hoạt động trong vành nhật hoa; cuối cùng là một ảnh hình ảnh cho thấy các vùng từ tính trên Mặt Trời. Lưu ý rằng tất cả các loại hoạt động khác nhau này đều đến từ một vết đen mặt trời có từ trường rất mạnh.

11. Thời tiết trong không gian

Thời tiết trên Trái Đất là một hiện tượng rất khó để có dự đoán được chính xác 100%. Và để làm cho cuộc sống trở nên khó khăn và phức tạp hơn nữa, tự nhiên đã đặt ra một thách thức cho con người (hoặc cũng có thể là chúng ta đã tự đặt ra cho mình bởi vì chúng ta luôn là một giống loài luôn luôn cảm thấy bất an): dự đoán được các tác động của bão Mặt Trời đối với Trái Đất.

Với hàng ngàn các vệ tinh trên quỹ đạo, các phi hành gia sinh sống trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS), hàng triệu người sử dụng điện thoại, GPS, internet…và quan trọng hơn hết là một nguồn điện ổn định giúp chúng ta thắp sáng về đêm, chúng ta có quá nhiều thứ để mất (và để sợ hãi). Bởi vì lý do này, các chính phủ hiện đang đầu tư rất mạnh tay vào việc đưa ra các mô hình nhằm dự đoán xem khi nào bão Mặt Trời sẽ xảy ra và mức độ ảnh hưởng của chúng đến Trái đất.

Lĩnh vực nghiên cứu này lần đầu tiên xuất hiện vào năm 1859, trong một sự kiện mà ngày nay được gọi là Sự kiện Carrington. Đầu tháng 9 năm đó, người ta đã quan sát thấy một vụ bùng phát năng lượng mặt trời. Khoảng 1 đến 2 ngày sau, một cơn bão Mặt Trời đã di chuyển đến từ trường của Trái Đất và nhanh chóng bị quá tải bởi các hạt tích điện. Kết quả là, hoạt động cực quang diễn ra vô cùng mạnh mẽ và được nhìn thấy ở rất nhiều nơi, đến tận quần đảo Hawaii và vùng biển Caribbean. Bầu trời lúc này sáng đến nỗi một số người đã thức giấc từ giữa đêm vì tưởng trời đã sáng.

Trận bão Mặt Trời năm 1859 xảy ra vào thời điểm một công nghệ mới đang bắt đầu kết nối người dân ở Hoa Kỳ và một số quốc gia khác: hệ thống điện báo. Đây là một mạng lưới dùng để gửi tin nhắn đã được mã hóa thông qua dây điện trên cao (một phiên bản sơ khai của internet). Các hạt tích điện đã làm quá tải từ trường Trái Đất tiếp tục lao xuống bề mặt hành tinh và ảnh hưởng đến dây dẫn của hệ thống điện báo. Người ta báo cáo rằng họ đã nhìn thấy các tia lửa điện phát ra từ các dây dẫn hở và từ các máy điện báo ở bên trong các văn phòng. Và đây chính là điểm khởi đầu cho sự hiểu biết của chúng ta về lĩnh vực thời tiết trong không gian.

Ba hiện tượng chính của Mặt Trời — lỗ vành nhật hoa, bão mặt trời và sự phóng thích khối lượng vành nhật hoa (CME)—chiếm phần lớn các hiện tượng thời tiết trong không gian. Lỗ vành nhật hoa cho phép gió Mặt Trời tự do thoát ra mà không bị cản trở bởi từ trường. Khi gió Mặt Trời đến Trái Đất, nó sẽ làm cho từ quyển của Trái Đất co lại và sau đó giãn ra. Những thay đổi này có thể gây ra các nhiễu loạn điện từ nhẹ trên Trái Đất.

Mối nguy thực sự lại đến các vụ bùng phát năng lượng mặt trời, chúng bắn phá tầng khí quyển phía trên của Trái Đất bằng tia X, các hạt năng lượng cao và bức xạ tia cực tím. Các dòng tia X và bức xạ cực tím có thể ion hóa các nguyên tử trong tầng khí quyển bên trên. Các electron đã được giải phóng này có thể tích tụ lên trên bề mặt của tàu vũ trụ và làm hỏng các thiết bị điện tử bên trong.

Gây nhiễu loạn mạnh nhất trong số ba hiện tượng này là sự kiện phóng thích khối lượng nhật hoa (CME) – một bong bóng khổng lồ gồm hàng chục triệu tấn khí bị thổi bay ra khỏi Mặt Trời. Khi bong bóng này va chạm với Trái Đất, nó sẽ làm nóng tầng điện ly và làm cho nó giãn nở. 

Lúc này, các vệ tinh ở độ cao từ 300 đến 600 km sẽ phải đối mặt với mật độ không khí cao hơn đáng kể. Và mật độ này sẽ tạo ra một lực cản vô cùng lớn so với những gì chúng được thiết kế để chống chịu (do sự bổ sung proton và electron đến từ CME). Hậu quả là, ma sát giữa bầu khí quyển và tàu vũ trụ sẽ tăng lên, từ đó tốc độ của chúng sẽ giảm xuống.

Lúc này, khi tốc độ đã giảm xuống, độ cao của các vệ tinh cũng sẽ bị suy giảm. Nhưng đây vẫn chưa phải là hồi kết. Khi rơi xuống một quỹ đạo thấp hơn, bầu khí quyển bên dưới tầng điện ly thậm chí còn dày đặc và có lực cản còn lớn hơn nữa. Điều này tạo ra một vòng luẩn quẩn không lối thoát – khi vệ tinh càng di chuyển xuống thấp thì nó phân rã ngày càng nhanh.

Vào thời điểm xảy ra sự kiện bùng phát năng lượng mặt trời và sự phóng thích khối vật chất vành nhật hoa (CME) vào tháng 3 năm 1989, hệ thống chịu trách nhiệm theo dõi khoảng 19.000 vật thể quay quanh Trái đất đã tạm thời mất dấu 11.000 vật thể vì quỹ đạo của chúng bị thay đổi do sự giãn nở trong bầu khí quyển của Trái đất. Trong thời kỳ “cao điểm” trong hoạt động của Mặt Trời, một số vệ tinh bị đưa xuống độ cao thấp đến mức chúng đã bị cháy rụi. Để khắc phục điều này, các vệ tinh thường được “tăng tốc” để có thể duy trì độ cao của chúng hoặc được đẩy lên cao hơn. 

Một vụ phóng thích khối lượng vành nhật hoa cũng có thể làm biến dạng từ trường của Trái Đất. Và vì từ trường thay đổi sẽ tạo ra dòng điện, CME sẽ tăng tốc các electron lên đến một tốc độ rất cao. Những “sát thủ” electron này có thể đâm xuyên qua các vệ tinh, phá hủy các thiết bị điện tử và làm cho chúng bị “tắt ngúm”. 

Sự nhiễu loạn trong từ trường cũng có thể gây ra gián đoạn trong thông tin liên lạc, đặc biệt là hệ thống điện thoại di động và mạng không dây. Trên thực tế, sự gián đoạn này có thể xảy ra nhiều lần trong một năm khi hoạt động của Mặt Trời đang ở mùa “cao điểm”. 

Không dừng lại ở đó, sự thay đổi trong từ trường cũng có thể gây ra sự gia tăng điện áp trên các đường dây điện, làm cháy máy biến áp và gây ra sự cố mất điện trên diện rộng. Ví dụ, vào năm 1989, một số khu vực ở Montreal và Quebec của Canada đã bị mất điện trong vòng 9 giờ đồng hồ.

Ngoài việc thay đổi quỹ đạo của vệ tinh, CME cũng có thể làm biến dạng các tín hiệu được gửi đi, làm giảm độ chính xác của các vị trí được định vị bằng GPS. Sai sót này có thể là không đáng kể trên mặt đất nhưng đối với ngành hàng không, điều này là vô cùng nguy hiểm. Những sự gián đoạn này đôi khi đã buộc các hãng hàng không phải hạn chế các chuyến bay trong vài phút hoặc thậm chí là vài ngày.

Bão mặt trời cũng khiến các phi hành gia, hành khách trên máy bay và thậm chí tất cả những cư dân trên bề mặt Trái Đất bị phơi nhiễm trước lượng bức xạ khổng lồ. Ví dụ, các phi hành gia bị giới hạn về tổng lượng bức xạ mà họ có thể tiếp xúc trong suốt khoảng thời gian phục vụ của mình. Và chỉ một tiếp xúc với một vụ bùng phát năng lượng cũng có thể chấm dứt luôn sự nghiệp của người này.

Bên cạnh khả năng có thể reo rắc hỗn loạn trên Trái Đất bất kỳ lúc nào, năng lượng mà mặt trời phát ra thậm chí còn có thể ảnh hưởng trực tiếp đến cả nền khí hậu của Trái Đất. Mặc dù Mặt Trời lúc nào cũng sẽ mọc ở đằng đông, các nhà khoa học đã xác định rằng năng lượng phát ra từ Mặt Trời có lẽ không thực sự ổn định mà dao động qua các thế kỷ—với độ lệch ít hơn 1%. 

Đã có rất nhiều bằng chứng cho thấy rằng trong khoảng thời gian từ năm 1645 đến năm 1715, số lượng vết đen mặt trời, ngay cả trong “mùa cao điểm”, cũng thấp hơn nhiều so với hiện nay. Hiện tượng này đã được Gustav Spӧrer ghi nhận lần đầu tiên vào năm 1887 và sau đó là E.W Maunder vào năm 1890; và hiện nay nó được gọi là Chu kỳ Maunder. Sự biến đổi về số lượng vết đen mặt trời trong ba thế kỷ qua được thể hiện trong hình ảnh bên dưới. Bên cạnh Chu kỳ Maunder trong thế kỷ XVII, số lượng vết đen mặt trời trong nửa đầu thế kỷ XIX thấp hơn một chút so với hiện nay; Giai đoạn này được gọi là Thời kỳ Maunder Nhỏ.

Khi số lượng vết đen mặt trời tăng cao, Mặt Trời cũng sẽ hoạt động theo nhiều cách khác nhau, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến Trái Đất. Ví dụ, sẽ có nhiều hiện tượng cực quang hơn khi số lượng vết đen mặt trời cao. Hiện tượng cực quang xảy ra khi các hạt tích điện năng lượng cao đến từ Mặt Trời tương tác với từ quyển của Trái Đất, và số lượng hạt này sẽ tăng cao khi nó hoạt động mạnh hơn và số lượng vết đen mặt trời gia tăng. Các ghi chép lịch sử cũng chỉ ra rằng hoạt động cực quang đã xuất hiện ở mức thấp bất thường trong suốt vài thập kỷ của Chu kỳ Maunder.

Chu kỳ Maunder cũng là giai đoạn mà nhiệt độ ở châu Âu xuống rất thấp—thấp đến mức giai đoạn này được đặt tên là Kỷ Băng hà nhỏ. Sự trùng hợp về mặt thời gian này đã khiến các nhà khoa học cố gắng tìm hiểu xem liệu có một mối liên hệ nào giữa những thay đổi trong hoạt động của Mặt Trời và khí hậu trên Trái Đất hay không. Có bằng chứng rõ ràng cho thấy châu Âu đã lạnh đi một cách bất thường trong một phần của thế kỷ XVII. Sông Thames ở London đóng băng ít nhất 11 lần, băng xuất hiện ở các đại dương ngoài khơi bờ biển phía đông nam nước Anh và nhiệt độ mùa hè thấp đến nỗi nó đã thu ngắn mùa vụ và dẫn đến mất mùa. 

Tuy nhiên, chúng ta cần phải thận trọng khi cho rằng sự suy giảm số lượng vết đen mặt trời hoặc sự biến đổi trong lượng năng lượng mà Mặt Trời phát ra là nguyên nhân trực tiếp gây ra Kỷ Băng Hà nhỏ. Tương quan và nhân quả là hai khái niệm hoàn toàn khác nhau. Hiện nay chúng ta vẫn chưa có một mô hình nào có thể giải thích thỏa đáng cho mối liên hệ giữa sự thay đổi trong hoạt động của Mặt Trời và khí hậu trên Trái Đất.