Rất nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học – thời tiết trên Trái Đất, nghiên cứu sóng biển, dòng chảy năng lượng từ trường từ Mặt Trời – đòi hỏi phải cùng lúc vẽ ra được bản đồ quy mô lớn của một hệ thống phức tạp cũng như những chi tiết tỉ mẩn của nó.
Để diễn tả chính xác những hệ thống như thế này cần nhiều nguồn thông tin, bắt đầu với quan sát hệ thống, kết hợp các phương trình toán học để tính toán gần đúng các quan sát này, chạy các mô hình máy tính để thử lặp lại các quan sát, và lặp lại tất cả các bước này để hoàn chỉnh mô hình cho tới khi chúng phù hợp với những gì quan sát được. Cuối cùng, các mô hình hoàn chỉnh giúp các nhà khoa học diễn tả và thậm chí dự đoán cách hệ thống hoạt động.
Hiểu được Mặt Trời và cách vật chất và năng lượng từ Mặt Trời ảnh hưởng Hệ Mặt Trời là tối quan trọng, vì nó tạo ra một hệ thống thời tiết không gian có thể ngăn cản công nghệ của con người trong không gian, ví dụ như truyền thông và các vệ tinh GPS.
Tuy nhiên, Mặt Trời và dòng chảy các hạt Mặt Trời, được gọi là các gió Mặt Trời, có thể trở nên khá khó để tạo mô hình vì khi vật chất truyền tới vùng xa của Hệ Mặt Trời, chúng mang theo chính từ trường của chính. Các lực từ khiến chúng ta phải tính thêm nhiều định luật nữa khi cố gắng xác định các nhân tố ảnh hưởng lên dòng hoạt động. Thật vậy, cho tới bây giờ, các phép tính cho một số tính chất của gió Mặt Trời chưa từng được thiết kế thành công để liên hệ với những quan sát thu được từ những thiết bị trong không gian. Bây giờ, lần đầu tiên, một nhà khoa học tại Trung tâm Chuyến bay Không gian Goddard ở Greenbelt, Md., đã tạo ra một tập hợp các phương trình cần thiết, như được công bố trong Physical Review Letters vào ngày 4/12/2012.
“Từ những năm 1970, các nhà khoa học đã biết rằng các chuyển động của gió Mặt Trời thường có chung những đặc tính với một dạng sóng được gọi là sóng Alfvén,” theo lời của Aaron Roberts, một nhà khoa học không gian tại Goddard. “Tưởng tượng bạn có một cái dây nhảy và bạn lắc một đầu sao cho bắt đầu có sóng truyền dọc theo sợi dây. Sóng Alfvén cũng tương tự như vậy, nhưng sợi dây đang chuyển đỗng cũng chính là đường sức từ.”
Trong trường hợp này, sóng Alfvén thường khá dễ dự đoán về chiều cao – hay biên độ, một khái niệm quen thuộc khi nói về sóng – nhưng chúng lại rất ngẫu nhiên về hướng. Bạn có thể tưởng tượng một sợi dây nhảy xoắn lại, luôn ở cùng khoảng cách từ tâm, nhưng lại có thể ở nhiều nơi trong không gian. Một cách nữa các nhà khoa học đã hình dung những sóng này là như “những cuộc đi bộ ngẫu nhiên trên một hình cầu.” Tất nhiên, vẫn là cùng khoảng cách từ một trung tâm cho trước, nhưng với những vị trí khác nhau.
Những miêu tả ẩn dụ như vậy được dựa vào những gì các thiết bị trong không gian đã quan sát được, khi chúng nhìn thấy những sóng từ đi qua trong gió Mặt Trời. Nhưng hóa ra là những phương trình để mô tả loại chuyển động này – những phương trình cần thiết để hoàn thiện những mô hình khoa học của cả hệ thống – không hề dễ dàng để tìm ra.
“Câu hỏi vẫn luôn là tìm ra tại sao biên độ lại luôn là hằng số,” theo lời Roberts. “Nhưng chúng ta đã gặp rất nhiều khó khăn để tìm ra các phương trình có thể giải thích được tất cả các đặc tính của từ trường.”
“Các sóng tương tự, khi nhìn thấy được trong ánh sáng, thường được biết đến như những sóng phân cực. Nhưng các từ trường có những ràng buộc khác về việc những hình thái và hình thể nào là có thể có trong thực tế. Roberts đã tìm ra một cách để kết hợp nhiều sóng ở những bước sóng khác nhau để cuối cùng giảm thiểu sự chênh lệch về biên độ xuống thấp nhất có thể.
Thật ngạc nhiên, những phương trình Roberts thiết kế đã phù hợp với những điều quan sát được trong thực tế hơn nhiều so với ông mong đợi. Những phương trình không chỉ cho thấy các sóng có biên độ không đổi, chúng cũng cho thấy những thay đổi bất thường và chênh lệch lớn – một đặc tính chưa giải thích được trong những quan sát.
“Kết hợp các sóng trong cách này cho chúng ta một cách để viết ra các phương trình mà chúng ta chưa thiết lập được trước đây,” Roberts nói. “Nó cũng thực tế hơn nhiều so với chúng ta dự đoán, vì nó cho thấy những điểm gián đoạn chúng ta thực sự quan sát được trong gió Mặt Trời. Đây là một điều quan trọng cho những mô hình nếu chúng ta muốn bắt đầu với những điều kiện giống với những gió Mặt Trời đã quan sát được nhất có thể.”
Tất nhiên, thiết lập được một phương trình chưa thể cho chúng ta biết lí do tại sao các sóng trong gió Mặt Trời lại có những đặc tính này. Tuy nhiên, các phương trình giải thích cách sóng chuyển động đã mở cánh cửa tới với những mô hình ngày càng chính xác, và có thể giúp chúng ta tìm ra được nguyên nhân. Bằng cách hoàn thiện các mô hình và các quan sát, các nhà khoa học tiếp tục vòng tròn của những nghiên cứu như thế này, cho tới khi những thay đổi vật lý của Mặt Trời tạo ra những sóng Alfvén kì lạ này được hiểu rõ.
Quỳnh Chi (VACA)
Theo Science Daily
