[BizHanKook] Những gì bạn đang thấy trên màn hình không phải là một bức tranh của Van Gogh. Những khối khí khổng lồ màu vàng đang sủi bọt chuyển động, và giữa chúng, những dải đen cùng những xoáy nhỏ không ngừng hình thành rồi tan biến. Những luồng nhiễu động mà ta thường thấy trong bầu khí quyển của các hành tinh khí khổng lồ như Sao Mộc hay Sao Thổ, đang diễn ra ngay trên bề mặt Mặt Trời vốn cấu tạo từ plasma. Đây không phải là hình ảnh giả tưởng hay đồ họa máy tính. Đây chính là hình ảnh chân thực và chi tiết nhất về bề mặt Mặt Trời mà nhân loại từng ghi lại được.
Mặt Trời là ngôi sao duy nhất mà chúng ta có thể quan sát bằng cách phân tách không gian các cấu trúc chi tiết trên bề mặt. Hầu hết các ngôi sao khác, dù nhìn qua kính thiên văn lớn đến đâu, cũng chỉ như một điểm sáng. Thế nhưng, Mặt Trời chỉ cách Trái Đất khoảng 150 triệu km. Chỉ mất 8 phút nếu tính theo tốc độ ánh sáng. Nhờ đó, chúng ta có thể trực tiếp quan sát cách bề mặt của ngôi sao này chuyển động, cách plasma và từ trường vướng vào nhau, và cách nguồn năng lượng đó dẫn đến các vụ nổ trên Mặt Trời.
Tất nhiên, Mặt Trời không có bề mặt rắn chắc để ta có thể đặt chân lên như Trái Đất. Thứ mà chúng ta gọi là bề mặt Mặt Trời chính là "quang cầu". Đây là lớp mà ánh sáng từ bên trong Mặt Trời không còn bị giữ lại bởi plasma và bắt đầu tỏa ra không gian. Nhiệt độ của quang cầu này lên tới khoảng 5800 Kelvin. Những hạt sáng tối lấp đầy màn hình được gọi là "vết hạt" hay còn gọi là các hạt (granule). Mỗi hạt thường có đường kính từ 500 đến 2000 km. Dù trông giống như những tế bào nhỏ, nhưng trên thực tế, mỗi hạt đều lớn đến mức có thể bao phủ gọn cả bán đảo Triều Tiên.
Ở những phần sáng, plasma nóng từ bên trong Mặt Trời đang dâng lên. Plasma khi lên tới bề mặt sẽ giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng, nguội đi và chìm xuống theo các đường biên tối giữa các hạt. Đó chính là sự đối lưu, giống như nước nóng dâng lên và nước nguội chìm xuống trong một nồi nước đang sôi. Tuy nhiên, trên Mặt Trời, vì plasma mang điện tích đang chuyển động nên không thể tách rời sự đối lưu và từ trường. Dòng chảy của plasma tạo ra từ trường, và từ trường lại thay đổi dòng chảy của plasma. Bề mặt Mặt Trời chính là hiện trường nơi sự đối lưu khổng lồ và từ trường đang không ngừng đẩy và kéo lẫn nhau.
Nhân loại đã từ lâu tìm cách nhìn vào "gương mặt" đầy năng động này của Mặt Trời. Năm 1610, Thomas Harriot cùng với Galileo Galilei, Johannes Fabricius, Christoph Scheiner và những người khác đã quan sát các vết đen Mặt Trời bằng kính thiên văn vào cùng thời điểm. Fabricius đã công bố kết nối sự chuyển động của các vết đen với quá trình tự quay của Mặt Trời vào năm 1611. Năm 1845, Fizeau và Foucault đã để lại những bức ảnh daguerreotype đầu tiên về Mặt Trời, và bước sang thế kỷ 20, quan sát phổ học và đo đạc từ trường đã bắt đầu hé lộ vật lý ẩn giấu bên dưới vẻ ngoài của Mặt Trời.
Khi các thiết bị quan sát được đưa lên vũ trụ, Mặt Trời bắt đầu hiện lên không phải là những bức ảnh tĩnh mà là một ngôi sao đang sống và chuyển động. Kính thiên văn quang học Mặt Trời trên vệ tinh Hinode, được phóng năm 2006, đã quan sát các cấu trúc chi tiết của từ trường Mặt Trời với độ phân giải khoảng 0,2 giây cung. Đài quan sát Động lực học Mặt Trời (SDO), phóng năm 2010, chụp toàn bộ Mặt Trời ở nhiều bước sóng cực tím khác nhau cứ sau mỗi 12 giây. Phần lớn hình ảnh về các vòng lửa, pháo sáng Mặt Trời và hiện tượng phóng khối lượng vành nhật hoa mà chúng ta thường thấy đều đến từ vệ tinh này.
Cuộc chinh phục của Icarus nhằm nhìn gần hơn vào gương mặt của Mặt Trời vẫn tiếp tục. Tàu thăm dò Parker Solar Probe đã tiến đến cách bề mặt Mặt Trời chỉ khoảng 6,1 triệu km vào tháng 12 năm 2024. Vận tốc khi đó đạt khoảng 690.000 km/h. Đây là tốc độ nhanh nhất mà một vật thể do con người tạo ra từng đạt được. Tàu thăm dò Parker đang đi thẳng vào vành nhật hoa - bầu khí quyển ngoài cùng của Mặt Trời - để đo đạc hiện tượng plasma thoát khỏi trọng lực và từ trường của Mặt Trời để trở thành gió Mặt Trời.
Tuy nhiên, những thách thức hướng về Mặt Trời không chỉ diễn ra trong không gian. Trên mặt đất, các nhà khoa học đang tiếp cận Mặt Trời theo một cách hoàn toàn khác với tàu Parker. Thay vì bay đến gần, họ dùng phương pháp tinh chỉnh mắt kính của kính thiên văn đến mức cực hạn. Thiết bị đứng đầu trong lĩnh vực này là "Kính thiên văn Mặt Trời Daniel K. Inouye" (DKIST), được đặt gần đỉnh Haleakala trên đảo Maui, Hawaii.
Kính thiên văn Mặt Trời Inouye là kính thiên văn Mặt Trời lớn nhất thế giới với đường kính gương chính lên tới 4 mét. Mặt Trời vốn đã đủ sáng, tại sao lại cần một chiếc gương khổng lồ? Chìa khóa không nằm ở độ sáng mà ở độ phân giải. Kích thước cấu trúc tối thiểu mà kính thiên văn có thể phân biệt được sẽ càng nhỏ khi bước sóng quan sát càng ngắn và đường kính gương càng lớn. Nếu quan sát ở bước sóng 416 nanomet gần với ánh sáng xanh bằng chiếc gương 4 mét, về mặt lý thuyết, nó có thể phân biệt được các cấu trúc trên bề mặt Mặt Trời tới khoảng 19 km.
Khi tập trung ánh sáng Mặt Trời bằng gương 4 mét, một vấn đề khác lại nảy sinh. Năng lượng Mặt Trời đi vào kính thiên văn lên tới khoảng 13 kilowatt. Nếu tập trung lượng nhiệt này tại tiêu điểm, các thiết bị quang học chính xác có thể bị hỏng. Kính thiên văn Inouye loại bỏ ánh sáng và nhiệt không cần thiết gần tiêu điểm, đồng thời quản lý nhiệt độ bên trong kính bằng hệ thống đường ống làm mát dài hơn 11 km. Nó còn được trang bị hệ thống tạo đá vào ban đêm để sử dụng cho việc làm mát vào ban ngày. Thiết kế gương chính lệch tâm cũng giúp giảm thiểu hiện tượng ánh sáng bị che khuất hoặc tán xạ bởi cấu trúc trung tâm.
Kính thiên văn mặt đất còn gặp phải vật cản là bầu khí quyển. Khi nhiệt độ và mật độ không khí liên tục thay đổi, mặt sóng của ánh sáng bị rung lắc khiến hình ảnh trở nên nhòe đi. Đây cũng chính là nguyên lý khiến các vì sao lấp lánh. Kính thiên văn Inouye sử dụng gương biến dạng với 1600 thiết bị truyền động để điều chỉnh sự rung lắc này. Khi cảm biến mặt sóng đo độ méo của ánh sáng tới tại 1521 điểm, bộ điều khiển sẽ thay đổi hình dạng bề mặt gương 2000 lần mỗi giây. Đó là công nghệ quang học thích ứng giúp khôi phục hình ảnh gốc bằng cách biến dạng gương theo hướng ngược lại mỗi khi bầu khí quyển làm mờ hình ảnh.
Kính thiên văn Inouye đã công bố hình ảnh quan sát đầu tiên vào năm 2020. Ngay từ lúc đó, các cấu trúc chi tiết của hạt và vết đen đã hiện lên rõ nét chưa từng có. Tuy nhiên, kết quả được công bố trên tạp chí 'Nature' tháng 8 năm nay đã tiến xa thêm một bước nữa. Nhóm nghiên cứu đã phân tích kết quả quan sát trong khoảng 3 phút, từ 21:38 đến 21:41 ngày 14 tháng 4 năm 2025. Đối tượng quan sát là vùng hoạt động NOAA 14060 nằm gần tâm đĩa Mặt Trời, bao gồm cả một "lỗ" (pore) - cấu trúc tối nhỏ nơi tập trung từ trường mạnh.
Để quan sát, họ sử dụng bộ lọc hẹp với độ rộng 0,5 nanomet chỉ cho ánh sáng 416 nanomet đi qua cùng thiết bị FastCam. Vùng camera đọc được tương ứng với khoảng 5800 nhân 4350 km trên bề mặt Mặt Trời, và mỗi pixel tương đương khoảng 6 km. Thời gian phơi sáng chỉ là 100 micro giây mỗi ảnh, tức là 1/10.000 giây. Camera đã chụp 740 khung hình mỗi giây.
Tuy nhiên, không phải cứ ghép 740 khung hình gốc mỗi giây là ra được video. Nhóm nghiên cứu đã chụp đồng thời các hình ảnh lấy nét rõ và các hình ảnh cố tình làm mờ nhẹ. Bằng cách so sánh hai hình ảnh này, họ có thể tính toán ngược lại sai số của mặt sóng do kính thiên văn và bầu khí quyển để lại. Sau đó, họ áp dụng kỹ thuật khôi phục hình ảnh có tên là "phục hồi mù đa khung hình" (multi-frame blind deconvolution). Họ kết hợp 2000 ảnh gốc đã qua hiệu chỉnh và căn chỉnh để tạo ra một thước phim khoa học. Khoảng cách thời gian của video cuối cùng thu được là 2,7 giây. Mặc dù cảnh tượng chúng ta thấy không phải là video truyền hình trực tiếp theo nghĩa thông thường, nhưng đó là một quá trình quan sát liên tục tốc độ cao giúp khôi phục các cấu trúc khoảng 19 km trên bề mặt Mặt Trời sau mỗi 2,7 giây.
Chính trong video này, những thứ chưa từng thấy trước đây đã xuất hiện. Ranh giới nơi các hạt gặp từ trường mạnh không phải là một đường thẳng mịn. Phần lớn ranh giới uốn lượn như sóng gợn, và những chiếc móc nhỏ cùng các xoáy nước xuất hiện liên tiếp. Trông giống như thể Van Gogh đã dùng cọ lớn để quết những vệt màu. Nhưng mô hình này có tên gọi riêng của nó: Bất ổn định Kelvin-Helmholtz.
Bất ổn định Kelvin-Helmholtz xảy ra khi hai chất lưu tiếp xúc với nhau chuyển động ở các tốc độ khác nhau. Nếu một độ cong nhỏ xuất hiện trên bề mặt tiếp xúc, sự chênh lệch vận tốc, tức là lực cắt, sẽ làm cho độ cong đó lớn dần lên. Ranh giới cuộn lên dần rồi phát triển thành hình dạng sóng hoặc xoáy. Trên Trái Đất, ta có thể thấy hiện tượng này ở những đám mây sọc hay trên mặt nước khi có gió thổi, và nó cũng xuất hiện dưới dạng các cấu trúc xoáy khổng lồ trong bầu khí quyển của Sao Mộc và Sao Thổ. Trên Mặt Trời, vì không phải là chất lưu thông thường mà là plasma mang từ trường đang chuyển động, nên phải xử lý bằng từ thủy động lực học.
Bản thân hiện tượng này không phải là vật lý mới. Helmholtz đã nghiên cứu sự bất ổn định của chất lưu chảy ở các tốc độ khác nhau vào năm 1868, và Kelvin làm điều tương tự vào năm 1871. Chandrasekhar đã hệ thống hóa sự thay đổi của sự bất ổn định này trong chất lưu có từ trường vào năm 1961. Trong vành nhật hoa, các vụ phóng khối lượng vành nhật hoa và các tia từ sắc quyển của Mặt Trời, các cấu trúc được giải thích bằng bất ổn định Kelvin-Helmholtz đã từng được quan sát thấy. Tuy nhiên, đây là lần đầu tiên hiện tượng này được xác nhận rõ ràng trên bề mặt khả kiến của Mặt Trời, tức là quang cầu. Đó là bởi kích thước đặc trưng của nó quá nhỏ, khiến các kính thiên văn Mặt Trời hiện có với đường kính dưới 2 mét không thể phân giải đủ chi tiết ranh giới này.
Mặt Trời mỗi ngày vẫn mọc lên với vẻ ngoài như cũ, nhưng trên bề mặt của nó, những xoáy nhỏ mà chúng ta vừa mới bắt đầu nhìn thấy vẫn không ngừng xoắn vặn từ trường. Thứ mà nhân loại tìm thấy sau khi tiến gần tới Mặt Trời như Icarus không chỉ là một ngọn lửa khổng lồ. Đó là những con sóng nhỏ kích thước vài chục km, những thứ có lẽ đang chuẩn bị cho ngọn lửa đó.
Tham khảo
https://nso.edu/telescopes/inouye-solar-telescope
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Từ khi xem 'Galaxy Express 999' lúc còn nhỏ, anh đã nuôi ước mơ truyền bá vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện anh là Giáo sư trợ lý tại Khoa Tự do, Đại học Sejong, đồng thời tham gia các hoạt động truyền thông khoa học như thuyết trình và viết lách. Anh đã viết các cuốn sách như 'Về sự vô dụng của nhà thiên văn học', 'Chúng ta đều sinh ra là nhà thiên văn học', 'Những câu hỏi kỳ lạ hiện ra khi nhìn vào vũ trụ', và dịch các tác phẩm như 'Sao Diêm Vương bị giết như thế nào', 'Quantum Life', 'UFO'.