Tại sao Mặt trời có những vết đen?

Gần 400 năm nay, nhờ kính viễn vọng mà chúng ta nghiên cứu một cách hệ thống những vết đen trên Mặt trời. Trước đó, các nhà thiên văn Trung Quốc đã có thể quan sát các vết đen Mặt trời bằng mắt thường, nhưng không thường xuyên. Người đầu tiên nhìn thấy các vết đen bằng kính viễn vọng là Thomas Harriot (người Anh) vào năm 1609. Vào thế kỷ XIX, một chủ hiệu thuốc người Đức tên là Heinrich Schwabe phát hiện ra rằng cứ khoảng 11 năm thì số lượng các vết đen trên Mặt trời tăng lên một cách rõ rệt. Người tạo ra bước ngoặt trong việc nghiên cứu tính dị thường của Mặt trời là G.E.Hale (Mỹ). Vào đầu thế kỷ 20, Hale khẳng định những vết đen trên Mặt trời có liên quan đến từ trường mạnh (lớn hơn từ trường trái đất vài ngàn lần). Theo một số nhà vật lý, nếu không có từ trường, Mặt trời hẳn sẽ là một ngôi sao buồn tẻ.

Tuy nhiên, nếu không có từ trường, Mặt trời sẽ tỏ ra ít nguy hiểm hơn. Do từ trường mạnh tồn tại trên Mặt trời cho nên không chỉ các vết đen xuất hiện mà còn cả các vụ nổ (nghĩa là sự giải phóng đột ngột năng lượng cục bộ) và phóng vật chất vào khoảng không vũ trụ. Nhờ các hiện tượng này mà trên trái đất chúng ta quan sát được điện quang Bắc cực, chúng ta gặp nhiễu trong liên lạc radio và hệ thống định vị toàn cầu GPS. Mối nguy hiểm từ Mặt trời còn rình rập các vệ tinh nhân tạo và các nhà du hành vũ trụ làm việc ngoài trái đất.

Tất cả những hiện tượng nêu trên trung bình cứ 11 năm lại mạnh lên một lần. Tuy nhiên dao động đó không lặp lại đúng 11 năm một lần bởi vì trong mỗi chu trình, hoạt động của Mặt trời mạnh yếu khác nhau, cường độ của những hiện tượng quan trọng đối với thời tiết vũ trụ cũng khác nhau.

Nếu như giải mã được “thói đỏng đảnh” của Mặt trời, chúng ta sẽ biết được khi nào thì nên ngồi ở nhà, khi nào thì nên bay vào vũ trụ. Tuy nhiên, khả năng dự đoán chu trình hoạt động của Mặt trời có ý nghĩa trước hết là ở chỗ chúng ta hiểu được nguyên lý “ứng xử hàng ngày” của nó (Mặt trời có tuổi là hơn 4 tỷ năm, do vậy khoảng thời gian 11 năm đối với nó chỉ như là vài ba giây đối với con người). Cách đây chưa lâu, việc dự đoán hoạt động của Mặt trời dựa trên cơ sở phân tích những chu trình hoạt động trước đó, đã được ghi chép lại từ hơn 200 năm nay. Tương tự như trong dự đoán thời tiết trái đất sau khi nghiên cứu các ghi chép cổ, chúng ta khẳng định rằng cứ trung bình 4 mùa đông tại châu Âu thì có một mùa đông lạnh hơn, tuyết rơi nhiều hơn hoặc cứ sau một mùa xuân ấm áp là có một mùa hè mát mẻ hơn.

Hình mẫu lý tưởng mà các nhà khoa học nghiên cứu về Mặt trời mong muốn đạt tới, là mô tả nó bằng định luật vật lý để từ đó rút ra kết luận về chu trình hoạt động tích cực. Nhóm nghiên cứu thuộc Trung tâm quốc gia nghiên cứu khí quyển ở Boulder (Mỹ) dưới sự lãnh đạo của Mausumi Dikpati thông báo rằng họ đã có bước đột phá trong nghiên cứu chu trình 11 năm hoạt động tích cực của Mặt trời. Việc nghiên cứu không dựa vào diễn biến lịch sử, mà dựa vào vật lý về Mặt trời.

Những hiện tượng diễn biến trong quá trình hoạt động tích cực của Mặt trời có sự khởi đầu ngay bên trong ngôi sao này. Tại đó, diễn ra sự tương tác phức tạp giữa vật chất Mặt trời và từ trường cục bộ.
Vật chất Mặt trời là khí nóng, bị ion hoá, trong đó các hạt nhân nguyên tử đã bị tách rời khỏi các điện từ. Quả cầu plasma này quay quanh trục của nó không theo một phương thức đồng nhất. Ở phía trong, tính từ trung tâm đến khoảng cách chừng 70% bán kính, Mặt trời quay như một vật rắn. Từ khoảng cách 70% bán kính trở ra, vật chất quay chậm dần, càng xa xích đạo càng quay chậm. Bằng cách này, chu kỳ quay của Mặt trời ở xích đạo là 25 ngày, trong khi ở gần hai cực, chu kỳ quay lên tới 35 ngày. Hơn nữa, ở phần bên ngoài plasma Mặt trời sôi sùng sục như nước trong nồi. Những bong bóng vật chất nóng bỏng, kích thước lớn, chầm chậm nổi lên bề mặt. Tại đây, chúng nguội dần, tan chảy và chìm xuống. Những chuyển động plasma này làm gia tăng cường độ từ trường tự nhiên của Mặt trời và dần dần đẩy nó lên bề mặt. Trung bình, khoảng 11 năm một lần, cường độ từ trường trên bề mặt Mặt trời đạt cực đại và khi đó hoạt động Mặt trời có tính tích cực nhất.

Để tạo ra mô hình tiến hoá hoạt động của Mặt trời, nhóm của Dikpati đã sử dụng những kiến thức mới nhất về cấu trúc bên trong Mặt trời và về sự dịch chuyển từ trường lên bề mặt. Nhóm cũng đã phân tích kỹ lượng những thông số tích luỹ được từ 12 chu trình Mặt trời gần đây nhất. Các nhà khoa học cho rằng họ đã đánh giá chính xác những thành tố quan trọng, bởi vì mô hình do họ đề xuất đã tái tạo đúng cường độ và thời gian xuất hiện 8 chu trình hoạt động tích cực của Mặt trời.

Theo các nhà khoa học ở Boulder , những vết đen Mặt trời trong chu trình tích cực mới sẽ xuất hiện sớm nhất là vào cuối năm 2007 hoặc đầu năm 2008, còn thời điểm Mặt trời hoạt động mạnh nhất là vào khoảng năm 2012.