Vấn đề tranh luận từ lâu

Nghiên cứu về cực quang của hành tinh lớn nhất hệ mặt trời xuất bản ngày 9.4.2021, trên Tạp chí Science Advances. Bài viết về nghiên cứu có tiêu đề: "Cách tôpô từ quyển bất thường cấu trúc cực quang sao Mộc" do nhà nghiên cứu Binzheng Zhang thuộc Khoa Khoa học Trái đất tại Đại học Hong Kong (Trung Quốc) chấp bút chính. Giáo sư Peter Delamere, giáo sư vật lý không gian tại Viện Địa vật lý Fairbanks của Đại học Alaska, Mỹ, là đồng tác giả chính.

Tôpô hay tôpô học có gốc từ trong tiếng Hy Lạp là topologia gồm topos và logos, là một ngành toán học nghiên cứu các đặc tính còn được bảo toàn qua các sự biến dạng, sự xoắn, và sự kéo giãn nhưng ngoại trừ việc xé rách và việc dán dính.

Nghiên cứu được thực hiện với một mô hình từ thủy động lực học (hay động từ học chất lỏng) toàn cầu mới được phát triển của từ quyển sao Mộc.

Nghiên cứu cung cấp bằng chứng hỗ trợ cho một ý tưởng gây tranh cãi và bị chỉ trích trước đây mà giáo sư Delamere và nhà nghiên cứu Fran Bagenal, Đại học Colorado Boulder nêu ra trong một bài báo năm 2010. Trong đó, hai nhà khoa học cho rằng, mỏm cực của Sao Mộc được ren gai ở phần có các đường sức từ đóng hơn là nối hoàn toàn với các đường sức từ mở như ở hầu hết các hành tinh khác trong hệ mặt trời.

Đường sức từ mở là những đường xuất phát từ một hành tinh nhưng đi vào không gian cách xa mặt trời thay vì kết nối lại ở một vị trí tương ứng ở bán cầu đối diện.

Ví dụ, trên trái đất, cực quang xuất hiện trên các đường sức từ khép kín xung quanh khu vực được gọi là hình bầu dục cực quang. Đó là vành đai vĩ độ cao gần, nhưng không đặt tại mỗi đầu của trục từ trường của trái đất.

Tuy nhiên, bên trong vành đai đó trên trái đất và cũng như với một số hành tinh khác trong hệ mặt trời là một điểm trống được gọi là mỏm cực. Đây là nơi các đường sức từ không liên kết với nhau và là nơi cực quang hiếm khi xuất hiện. Điều này tương tự như một mạch điện không hoàn chỉnh trong nhà chúng ta: Không có mạch điện hoàn chỉnh, không có đèn chiếu sáng.

Tuy nhiên, sao Mộc có một mỏm cực mà ở đó cực quang chói lóa. Điều đó khiến các nhà khoa học bối rối.

Giáo sư Delamere cho hay, vấn đề là các nhà nghiên cứu quá tập trung vào những gì họ đã biết về từ trường của trái đất trong nhận định về sao Mộc.

Tàu vũ trụ Juno của NASA đến sao Mộc tháng 7.2016 và đã cung cấp những hình ảnh về mỏm cực và cực quang của hành tinh này. Những hình ảnh của Juno, cùng với một số hình ảnh do kính viễn vọng không gian Hubble chụp, cũng chưa giải quyết thỏa đáng cho các nhà khoa học tranh luận về đường sức từ mở và đường kín.

Lời giải về từ quyển sao Mộc

Trong nghiên cứu vừa công bố, Giáo sư Delamere và nhóm nghiên cứu đã sử dụng mô hình máy tính để được trợ giúp. Nghiên cứu của họ cho thấy một vùng cực đóng phần lớn với một vùng thông lượng mở hình lưỡi liềm nhỏ, chỉ chiếm khoảng 9% vùng mỏm cực. Phần còn lại hoạt động với cực quang, biểu thị các đường sức từ kín.

Do vậy, kết luận là sao Mộc có sự pha trộn giữa các đường sức từ mở và đóng ở các mỏm cực của hành tinh này.

"Đối với tôi, đây là một sự thay đổi mô hình lớn với hiểu biết của chúng ta về các từ quyển" - Giáo sư Delamere nói.

Theo ông, thông tin này đặt ra nhiều câu hỏi về cách gió mặt trời tương tác với từ quyển của sao Mộc và ảnh hưởng đến các động lực học.

Ví dụ, mỏm cực hoạt động cực quang của sao Mộc có thể là do tốc độ quay và từ quyển khổng lồ của hành tinh này. Sao Mộc quay 10 giờ một vòng trong khi trái đất cứ 24 giờ một vòng. Cả hai yếu tố trên đều làm giảm tác động của gió mặt trời, có nghĩa là các đường sức từ trường mỏm cực ít có khả năng bị tách ra để trở thành các đường sức từ mở.

Ngoài ra, mặt trăng Io của sao Mộc ảnh hưởng tới các đường sức từ bên trong mỏm cực của hành tinh này ở mức độ nào cũng là điều mà các nhà nghiên cứu quan tâm. Là 1 trong 4 mặt trăng khổng lồ nhất trong số hàng chục mặt trăng của sao Mộc, mặt trăng Io có liên kết về mặt điện động lực với sao Mộc - điều độc nhất vô nhị trong hệ mặt trời và do đó hành tinh mẹ của mặt trăng này liên tục loại bỏ các ion nặng.

Các nhà nghiên cứu trong bài viết về cực quang kỳ lạ của sao Mộc cũng thừa nhận họ vẫn chưa hiểu cấu trúc từ tính của từ quyển sao Mộc và chính xác thì cực quang của hành tinh này đang tiết lộ điều gì về tôpô của hành tinh này.