Các nhà khoa học đang giải quyết nhiệm vụ khó khăn trong việc dự đoán chu kỳ mặt trời như thế nào | Tạp chí Quanta

Mặt trời trông bất biến, một bóng đèn thiên đường nhàm chán luôn bật sáng. Nhưng quả cầu plasma được cung cấp năng lượng nhiệt hạch này luôn chuyển động liên tục. Cứ khoảng 11 năm một lần, nó lại chuyển từ trạng thái ngủ sang trạng thái hoạt động., kỷ nguyên hỗn loạn được đánh dấu bằng các vết đen mặt trời và các vụ phun trào mặt trời, chẳng hạn như pháo sáng và vụ nổ plasma.

Mặt trời hiện đang đạt đến mức hoạt động tối đa trong chu kỳ hiện tại và nó không hoạt động chính xác theo kế hoạch. Các nhà khoa học đã dự đoán rằng chu kỳ này sẽ yếu giống như chu kỳ trước, nhưng mặt trời đang thể hiện mức độ hoạt động chưa từng thấy trong hơn 20 năm qua. Vào tháng XNUMX và tháng XNUMX năm nay, theo dữ liệu từ Cơ quan Khí quyển và Đại dương Quốc gia (NOAA), trung bình khoảng 160 vết đen mặt trời hàng ngày, nhiều hơn gấp đôi so với dự đoán. Các cơn bão mặt trời cũng đang gia tăng.

Sự khác biệt giữa dự đoán và quan sát đã rõ ràng ngay từ tháng 2022 năm XNUMX, khi Cáo Nicola — lúc đó là giám đốc bộ phận vật lý học của NASA — đã viết trên trang web của NASA rằng “Mặt trời đã hoạt động mạnh hơn nhiều trong chu kỳ này so với dự đoán.”

Dự đoán chu kỳ mặt trời đáng tin cậy giờ đây quan trọng hơn bao giờ hết vì chúng ta ngày càng phụ thuộc vào công nghệ dễ bị tấn công. Bầu khí quyển của trái đất phồng lên với hoạt động của mặt trời và làm tăng lực cản lên (rất nhiều) vệ tinh cần di chuyển trên quỹ đạo. Sự bùng nổ năng lượng mặt trời có thể đốt cháy các thiết bị điện tử, gây nhiễu tín hiệu vô tuyến, làm nhiễu hệ thống GPS và làm gián đoạn lưới điện.

Giống như hầu hết các dự báo, thách thức trong việc dự đoán chu kỳ mặt trời là rất nhiều. Nó không tuân theo một khuôn mẫu rõ ràng từ chu kỳ này sang chu kỳ tiếp theo - một số chu kỳ ngắn hơn những chu kỳ khác - và vật lý mặt trời vẫn là một ngành học tương đối non trẻ. “Chúng tôi muốn nói rằng chúng tôi đi sau các nhà dự báo thời tiết khoảng 60 năm,” nói. Robert Leamon, một nhà vật lý năng lượng mặt trời tại Đại học Maryland.

Về mặt lịch sử, các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm mối tương quan thống kê giữa hoạt động của mặt trời và số lượng vết đen mặt trời, tổng diện tích bề mặt của chúng và thời gian xuất hiện của chúng. Nhưng sự đồng thuận về mặt khoa học là những kỹ thuật đó - ngay cả khi được hiện đại hóa - không tiết lộ nhiều về hành vi trong tương lai của mặt trời. Giờ đây, được thúc đẩy bởi các quan sát mặt trời phức tạp hơn, các nhà khoa học đang đánh giá và hoàn thiện các phương pháp thay vào đó sử dụng hoạt động bên trong của mặt trời làm hướng dẫn.

Mặc dù tiến độ còn chậm - 11 năm là một khoảng thời gian dài - nhưng chúng ta hãy xem xét kỹ hơn về tình trạng dự đoán hệ mặt trời hiện tại. 

Đuổi theo vết đen mặt trời

Các nhà khoa học đã vô tình bắt đầu theo dõi chu kỳ mặt trời từ hơn 400 năm trước, khi Galileo lần đầu tiên quan sát thấy các vết đen trên mặt trời. Bây giờ rõ ràng là những đốm đen này xuất hiện nhiều trong thời kỳ mặt trời cực đại và hầu như không có ở thời điểm mặt trời tối thiểu. Ngày nay, trong khi các nhà khoa học tiếp tục nâng cao hiểu biết của họ về cơ chế vật lý gây ra dao động đó thì các vết đen mặt trời vẫn đóng vai trò là đại diện cho hoạt động của mặt trời.

Năm 1989, NASA và NOAA bắt đầu yêu cầu các bảng dự đoán chu kỳ mặt trời dự báo cường độ và thời gian của chu kỳ mặt trời tiếp theo. Để làm được điều đó, các chuyên gia trong hội thảo sẽ đánh giá các dự đoán của các nhà nghiên cứu khác trong lĩnh vực này. Những dự đoán này thường sử dụng một giá trị được gọi là R — số lượng vết đen mặt trời trung bình trong 13 tháng (được làm mịn hoặc có trọng số trong tháng hiện tại cộng với sáu tháng ở hai bên) — như một chỉ số về hoạt động của mặt trời.

Đóng đinh R mức tối đa tiếp theo được coi là đỉnh cao của việc dự đoán chu kỳ mặt trời.

Tuy nhiên, các bảng này không có thành tích tốt. trong 2006, bảng dự đoán Chu kỳ 24 đã bắt đầu cân nhắc; cuối cùng, đội không thể đạt được đồng thuận và dự đoán một cách vô ích rằng Chu kỳ 24 sẽ rất yếu hoặc rất mạnh. (Hóa ra nó rất yếu.) “Họ bị chia làm đôi rất nhiều,” nói Lisa Upton, đồng chủ tịch hội đồng dự đoán Chu kỳ 25 hiện tại và là nhà vật lý mặt trời tại Viện Nghiên cứu Tây Nam. “Có một số cuộc trao đổi sôi nổi.”

Dự đoán Chu kỳ 25 - bắt đầu vào tháng 2019 năm 2019 - có vẻ đơn giản hơn nhiều. Vào tháng 2025 năm 115, Upton và các đồng nghiệp của cô dự đoán nó sẽ đạt cực đại vào tháng 61 năm XNUMX với trung bình XNUMX vết đen mặt trời. Họ đã sàng lọc XNUMX dự đoán với R các giá trị nằm trong khoảng từ 50 đến 229, nhưng họ thiên về một loại dự đoán dựa trên vật lý mặt trời mà phần lớn đều phù hợp với nhau.

“Chúng tôi đã có nó khá dễ dàng,” Upton nói. “Tất cả chúng tôi đều đồng ý rằng sẽ có một chu kỳ khá yếu.”

Mặt trời đã có những kế hoạch khác nhau.

Dấu hiệu của sự thay đổi

Các phương pháp dựa trên vật lý hiện đại có hai loại. Người ta tìm kiếm các thông số vật lý có thể quan sát được - được gọi là các dấu hiệu báo trước - báo trước sức mạnh của chu kỳ sắp tới. Cái còn lại sử dụng mô hình máy tính để tái tạo đặc tính vật lý của mặt trời và quay nó về phía trước.

Trong số các tiền thân, công cụ dự đoán thành công nhất cho đến nay là cường độ của từ trường ở các cực của mặt trời trong thời kỳ cực tiểu của mặt trời – mà bảng dự đoán Chu kỳ 25 dựa vào đó để đưa ra dự báo hiện tại. Khi mặt trời không hoạt động, từ trường của nó là lưỡng cực, giống như một thanh nam châm có hai đầu dương và âm. Cường độ của lưỡng cực chi phối một quá trình cuối cùng làm đảo lộn cực tính của từ trường, gây ra chu kỳ mặt trời. Trong nhiều năm, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng cường độ tối thiểu của trường cực có mối tương quan chặt chẽ với cường độ của chu kỳ sắp tới.

Một trở ngại với công cụ dự đoán này là trường cực chỉ được đo trực tiếp trong bốn chu kỳ gần đây nhất, kể từ năm 1976. Nhưng có những cách gián tiếp để đo cường độ của nó, như phương pháp aa-mục lục, sử dụng các nhiễu loạn trong từ trường Trái đất làm đại diện cho cường độ trường cực; những điểm này đã được đo lường trong hơn 150 năm - cung cấp một cụm điểm dữ liệu khác.

“Với 13 điểm, mối tương quan có thể là sự trùng hợp ngẫu nhiên, nhưng khi bạn đạt được XNUMX điểm, nó sẽ ít giống sự trùng hợp hơn,” nói. Robert Cameron, một nhà vật lý mặt trời tại Viện nghiên cứu hệ mặt trời Max Planck ở Göttingen, Đức, là thành viên của nhóm dự đoán cuối cùng.

A New Hope

Gần đây, một nghiên cứu do Leamon và Scott McIntosh của Trung tâm Nghiên cứu Khí quyển Quốc gia đã xác định được một điềm báo đầy hứa hẹn khác được gọi là sự kiện hủy diệt. Đó là thời điểm hoạt động từ tính của chu kỳ trước biến mất và được thay thế bằng hoạt động từ tính từ chu kỳ mới.

Leamon và McIntosh đã tìm thấy manh mối trong dữ liệu lịch sử cho thấy rằng thời điểm của kẻ hủy diệt tương ứng với cường độ của chu kỳ mới: Kẻ hủy diệt sớm sẽ tạo ra nhiều vết đen mặt trời hơn và do đó, một chu kỳ mạnh hơn. Dựa trên kẻ hủy diệt cuối cùng xảy ra vào tháng 2021 năm 25, cặp đôi dự đoán rằng Chu kỳ 185 sẽ đạt tối đa 2024 vết đen mặt trời và đạt cực đại vào tháng XNUMX năm XNUMX, sớm hơn gần một năm so với dự đoán chính thức.

“Tôi sẽ không hả hê,” Leamon nói. “Nhưng [mặt trời] chắc chắn hoạt động tích cực hơn rất nhiều so với sự đồng thuận của hội đồng.”

Tuy nhiên, một hạn chế của hầu hết các phương pháp tiền thân là chúng dựa trên mức tối thiểu của mặt trời - các nhà khoa học không thể đưa ra dự đoán mới cho đến khi chu kỳ sắp bắt đầu. Đó là lý do tại sao đôi khi họ tìm kiếm sự hỗ trợ từ các phương pháp dựa trên vật lý tương tự như các mô hình dự đoán khí hậu phức tạp. Những mô phỏng máy tính này sử dụng động lực học chất lỏng và điện từ để tái tạo vật lý mặt trời; sau đó các nhà khoa học cung cấp dữ liệu quan sát để dự đoán trường cực và các tiền thân khác có thể trông như thế nào trong vài năm tới.

Một logic bị chôn vùi

Nhưng những dự đoán dựa trên vật lý chỉ bằng một nửa số dự báo mà nhóm Chu kỳ 25 đã phân tích. Phần còn lại, mặc dù hiện nay có lẽ ít thành công hơn, nhưng có thể tỏ ra hữu ích trong tương lai.

Đây là sự kết hợp của nhiều chiến lược, hầu hết đều sử dụng các chu kỳ mặt trời trước đó để dự đoán số lượng vết đen mặt trời hiện tại. Những phương pháp như vậy đôi khi tìm thấy mối tương quan chặt chẽ giữa vết đen mặt trời và những thứ ban đầu có vẻ khá ngẫu nhiên. Víctor Sánchez Carrasco, một nhà vật lý mặt trời tại Đại học Extremadura ở Tây Ban Nha. Ông nói, những mối tương quan đó có thể chỉ là sự trùng hợp ngẫu nhiên, nhưng cũng có khả năng là chúng đang khai thác “một số vật lý cơ bản mà chúng ta vẫn chưa hiểu”.

Và các nhà vật lý tiếp tục thử nghiệm các phương pháp tiếp cận mới, chẳng hạn như sử dụng trí tuệ nhân tạo hoặc mạng lưới thần kinh để tìm kiếm mối tương quan giữa dữ liệu vết đen mặt trời trong nhiều thế kỷ. Nhà vật lý thiên văn cho biết: “Có một điều huyền bí gắn liền với chuỗi thời gian dài như vậy”. Eurico Covas, cộng tác viên của Viện Vật lý thiên văn và Khoa học vũ trụ ở Bồ Đào Nha.

Hiện tại, Upton vẫn cho rằng dự đoán của nhóm vẫn chưa chết. Cô nói: “Có vẻ như chu kỳ [sức mạnh] có thể lớn hơn một chút so với dự đoán của chúng tôi, nhưng không lớn hơn đáng kể”. Cô ấy lưu ý rằng đường cong được làm mịn, khi tất cả dữ liệu đã được đưa vào, có thể sẽ không lệch đi một cách đáng kể là mức trung bình hàng tháng mà NOAA vẽ ra. Và dựa trên sự phát triển của chu kỳ hiện tại, Carrasco đồng ý rằng Chu kỳ 25 có thể sẽ mạnh hơn dự đoán của nhóm nhưng vẫn yếu hơn mức trung bình. Ông nói: “Sáu tháng tới là thời điểm quan trọng để xem Chu kỳ Mặt trời 25 sẽ đi đến đâu.

Bất chấp những điều không chắc chắn này, Leamon tin tưởng rằng các nhà vật lý gần như có thể đưa ra những dự đoán chính xác. Ông nói: Đến năm 2030, khi hội đồng tiếp theo được triệu tập, “chúng ta sẽ có cách xử lý vấn đề này tốt hơn nhiều”. “Đây sẽ là chu kỳ cuối cùng mà chúng ta chưa hiểu hết.”