Một trong những cảnh đẹp ngoạn mục nhất trên bầu trời của chúng ta là những dải màu ánh sáng rực rỡ nhảy múa của cực quang. Tuy nhiên, hiện tượng hấp dẫn này vẫn còn nhiều bí ấn cần giải đáp.
Chúng ta biết nó được tạo ra bởi các hạt mang điện tích từ các cơn bão mặt trời được gia tốc dọc theo các đường sức từ của Trái đất về phía khu vực vùng cực và sau đó đâm vào khí quyển để tạo ra cực quang. Ở đó, nó tương tác với các hạt trong khí quyển tạo ra những bức màn ánh sáng lung linh trên bầu trời.
Giờ đây, lần đầu tiên các nhà khoa học đã chứng minh và xác nhận cơ chế mà gia tốc hạt xảy ra – bằng cách tái tạo quá trình diễn ra cực quang trong phòng thí nghiệm. Đúng như các nhà khoa học đã nghĩ, sóng điện từ mạnh (được gọi là sóng Alfvén) gia tốc các electron dọc theo đường sức từ.
Nhà vật lý Craig Kletzing của Đại học Iowa cho biết: “Ý nghĩ rằng những sóng này có thể cung cấp năng lượng cho các electron tạo ra cực quang đã có từ hơn 4 thập kỷ trước, nhưng đây là lần đầu tiên chúng tôi có thể xác nhận chắc chắn rằng nó hoạt động.
“Những thí nghiệm này cho phép chúng tôi thực hiện các phép đo quan trọng cho thấy rằng các phép đo và lý thuyết không gian thực sự giải thích một cách chính xác cách mà cực quang được tạo ra.”
Chúng ta đã biết về sóng Alfvén từ lâu. Chúng được kỹ sư điện người Thụy Điển Hannes Alfvén mô tả lần đầu tiên vào năm 1942 – sóng lan truyền dọc theo các đường sức từ. Những sóng như vậy là một cơ chế quan trọng để vận chuyển năng lượng và động lượng trong các hệ thống từ động lực học ; nghĩa là chúng có thể tăng tốc các hạt.
Sóng Alfvén đã được quan sát thấy trong các đường sức từ của Trái đất, tàu vũ trụ thậm chí đã quan sát được sóng Alfvén của Trái đất trên cực quang. Người ta công nhận rộng rãi rằng sóng Alfvén đóng một vai trò nào đó trong việc gia tốc electron cực quang – nhưng việc xác định vai trò chính xác thì gặp nhiều khó khăn.
Vì vậy, một nhóm các nhà khoa học do nhà vật lý Jim Schroeder của Trường Cao đẳng Wheaton đã sử dụng Large Plasma Device ( LAPD ) tại Đại học California Los Angeles để xem xét kỹ hơn hiện tượng này. Đây là một buồng chân không hình trụ dài 20 mét (66 feet) và đường kính 1 mét (3,3 ft), có từ trường cực mạnh.
Nhà vật lý Troy Carter của UCLA cho biết: “Thí nghiệm đầy thử thách này yêu cầu đo một quần thể rất nhỏ các electron di chuyển xuống buồng LAPD với tốc độ gần bằng tốc độ của sóng Alfvén, với số lượng ít hơn một phần nghìn electron trong plasma”.
Nhóm nghiên cứu đã tạo ra sóng Alfvén trong plasma trong LAPD, đồng thời đo sự phân bố vận tốc electron trong các điều kiện liên quan đến sự hình thành cực quang. Họ phát hiện ra rằng sóng Alfvén truyền năng lượng cho các điện tử với sự cộng hưởng với sóng – một vận tốc tương tự như vận tốc pha của sóng.
Xem thêm >>Mặt trời tạo ra bao nhiêu năng lượng trong 1 giây?
Nhà vật lý Greg Howes của Đại học Iowa cho biết: “Các phép đo cho thấy quần thể nhỏ các electron này trải qua ‘gia tốc cộng hưởng’ bởi điện trường của sóng Alfvén, tương tự như một vận động viên lướt sóng đã bắt được những cơn sóng và liên tục được gia tốc khi người lướt sóng di chuyển theo làn sóng”.
Quá trình này được gọi là Landau damping (là hiệu ứng của việc giảm sóng điện tích không gian theo chiều dọc trong plasma hoặc một môi trường tương tự), bởi vì sự truyền năng lượng từ sóng sang hạt làm giảm sóng, do đó ngăn cản sự bất ổn định xuất hiện. Theo phân tích của nhóm, dấu hiệu được tạo ra bởi vận tốc electron là dấu hiệu được biết đến cho Landau damping, cho thấy rằng gia tốc cộng hưởng đã xảy ra.
Sau đó so sánh kết quả của họ với cực quang mô hình, nhóm nghiên cứu đã có thể chứng minh rằng tốc độ cung cấp năng lượng của các electron phù hợp với Landau damping trong thực tế.
Các nhà nghiên cứu viết: ‘Sự thống nhất về tốc độ cung cấp năng lượng trên mỗi electron giữa thí nghiệm và mô hình cực quang,và thiết lập mối liên hệ cuối cùng cần thiết để chứng tỏ rằng chúng tôi đã cung cấp xác nhận thực nghiệm trực tiếp rằng sóng Alfvén có thể tăng tốc các electron kết tủa vào tầng điện ly và tạo ra Ánh sáng hấp dẫn của cực quang.”
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.
Nguồn:
_https://www.sciencealert.com/for-the-first-time-lab-experiment-confirms-the-waves-that-cause-auroras
