Bụi vũ trụ và vành nhật hoa: Tại sao bầu khí quyển Mặt Trời lại nóng tới hàng triệu độ?

Hai nhóm mô hình chính giải thích cho sự đốt nóng vành nhật hoa bao gồm:

• Đốt nóng bằng sóng (Wave heating): Các sóng từ trường hoặc sóng hỗn loạn được tạo ra bởi các chuyển động đối lưu bên dưới bề mặt Mặt Trời truyền lên trên và tiêu tán năng lượng của chúng trong vành nhật hoa .
• Đốt nóng bằng nanoflares: Vô số các sự kiện tái kết nối từ trường quy mô nhỏ—microflares và nanoflares—giải phóng năng lượng, cùng nhau đốt nóng vành nhật hoa .

Cho đến nay, chưa có một lời giải thích duy nhất nào được chấp nhận rộng rãi và cơ chế này vẫn còn là một ẩn số . Các quan sát gần đây từ tàu thăm dò Parker Solar Probe đã cung cấp bằng chứng cho thấy các sóng từ trường do nhiễu loạn dưới bề mặt có thể truyền năng lượng cho các ion, ủng hộ các mô hình dựa trên sóng . Các nghiên cứu khác chỉ ra nanoflares là tác nhân chính, với các quan sát tia X cho thấy plasma ở nhiệt độ 10 triệu K, một mức nhiệt chỉ có thể được tạo ra bởi các vụ bùng nổ năng lượng xung kích .

Vai trò của bụi vũ trụ nằm ở đâu?

Mật độ bụi tăng dần khi tiến về phía Mặt Trời và đạt cực đại trong F-corona, nơi ánh sáng trắng tán xạ từ bụi lấn át ánh sáng từ electron trong K-corona, ở khoảng cách trên 3 bán kính Mặt Trời . Ở gần Mặt Trời, các hạt bụi trở nên tích điện do tiếp xúc với bức xạ cực tím mạnh và các dòng plasma .

Vai trò tiềm năng của chúng trong việc đốt nóng vành nhật hoa là gián tiếp nhưng đáng để xem xét:

• Bổ sung vật chất: Khi các hạt bụi bị phá hủy do va chạm hoặc thăng hoa gần Mặt Trời, chúng bổ sung các nguyên tử và ion vào môi trường xung quanh, cung cấp các ion nặng cho gió Mặt Trời và vành nhật hoa .
• Động lực của các hạt nano tích điện: Các hạt rất nhỏ (1–10 nm) có thể có tỷ lệ điện tích trên khối lượng cao, khiến chuyển động của chúng bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi các lực điện từ. Một cơ chế được đề xuất để kéo dài thời gian lưu trú của các hạt nóng gần ngôi sao là sự bẫy từ tính của các hạt nano tích điện .

Tuy nhiên, cần nhấn mạnh rằng, đốt nóng do bụi không phải là ứng cử viên hàng đầu trong các tài liệu chính thống về đốt nóng vành nhật hoa. Các nguồn được cung cấp luôn nhấn mạnh đốt nóng bằng sóng, tái kết nối từ trường và nanoflares là những giải thích chính .

Hai hiệu ứng cạnh tranh: Khối lượng bụi và Điện tích bụi

Sự cạnh tranh về mặt lý thuyết giữa khối lượng và điện tích của bụi liên quan đến cách năng lượng mà một hạt bụi thu được cuối cùng sẽ được phân phối—liệu nó được giải phóng tại chỗ hay được mang đi nơi khác trước khi tiêu tán. Đây là một khái niệm hợp lý về plasma-bụi, phù hợp với cách các hạt nano tích điện hoạt động trong môi trường sao .

1. Khối lượng hạt và Quán tính — Giải phóng năng lượng cục bộ

Các hạt bụi lớn hơn, nặng hơn sẽ khó bị điều khiển bởi các lực điện từ. Một hạt có khối lượng lớn và liên kết yếu với từ trường sẽ đi theo một quỹ đạo đạn đạo hơn. Khi một hạt như vậy va chạm, vỡ ra hoặc bị phá hủy, động năng của nó sẽ được giải phóng tại chỗ dưới dạng nhiệt, ion hóa hoặc kích thích trong vật chất xung quanh. Điều này ủng hộ sự đốt nóng cục bộ gần nơi hạt bụi ban đầu có được năng lượng.

2. Điện tích hạt và Tỷ lệ Điện tích trên Khối lượng — Vận chuyển năng lượng

Các hạt rất nhỏ—các hạt nano—có thể có tỷ lệ điện tích trên khối lượng cao, khiến chuyển động của chúng bị ảnh hưởng mạnh mẽ hơn bởi các lực điện từ . Các hạt nano tích điện trong môi trường gần sao có thể bị bẫy hoặc dẫn đường bởi từ trường sao, kéo dài thời gian lưu trú của chúng . Trong trường hợp đó, năng lượng liên quan đến hạt bụi có thể được vận chuyển dọc theo các cấu trúc từ trước khi bị tiêu tán, thay vì được giải phóng ngay lập tức tại nơi hạt bụi có được năng lượng đó. Điều này ủng hộ sự lắng đọng năng lượng phi cục bộ.

Câu hỏi cốt lõi là: Quán tính của hạt bụi có chiếm ưu thế, dẫn đến đốt nóng do ma sát hoặc va chạm cục bộ, hay sự tương tác điện từ của nó chiếm ưu thế, cho phép năng lượng được mang đi dọc theo các đường sức từ? Kết quả phụ thuộc vào kích thước hạt bụi, điện tích bề mặt, điều kiện plasma địa phương và cường độ từ trường.

Một lưu ý quan trọng

Sự cạnh tranh giữa khối lượng và điện tích này là một khái niệm hợp lý trong vật lý plasma bụi và phù hợp với ý tưởng rằng các hạt nano tích điện có thể bị ảnh hưởng đáng kể bởi từ trường sao . Nhưng nó không phải là một phần tiêu chuẩn của cuộc tranh luận chính thống về đốt nóng vành nhật hoa. Các nguồn được cung cấp tiếp tục giải thích các cơ chế chính dựa trên sự tiêu tán sóng, nhiễu loạn, tái kết nối từ trường, microflares và nanoflares . Bụi có thể đóng một vai trò hỗ trợ hoặc cục bộ, nhưng bằng chứng hiện tại không ủng hộ sự cạnh tranh giữa khối lượng và điện tích của hạt bụi như là lời giải thích chính cho nhiệt độ hàng triệu độ của vành nhật hoa.

Bài toán đốt nóng vành nhật hoa vẫn chưa có lời giải và có khả năng nhiều cơ chế hoạt động cùng nhau. Như một bài tổng quan đã nhận xét, 'có lẽ không có một mảnh vật lý đơn lẻ nào có thể giải quyết vấn đề đốt nóng vành nhật hoa một lần và mãi mãi' .