Khám phá bên trong Mặt Trời: cấu trúc, nhiệt độ và những rào cản để tiếp cận

Ý tưởng đưa con người lên Mặt Trời vẫn thuộc về khoa học viễn tưởng, nhưng các dữ kiện hiện có cho phép chúng ta hình dung rõ hơn: nếu một ngày công nghệ cho phép tiếp cận gần đủ để “chạm” Mặt Trời, những gì sẽ hiện ra trước mắt và đâu là giới hạn không thể vượt qua? Bài viết này hệ thống các tầng của Mặt Trời, các con số về nhiệt độ và vật liệu bảo vệ từng được nhắc tới trong nghiên cứu và sứ mệnh thực tế, để đưa ra bức tranh thực tế nhất về hành trình từ ngoài không gian vào sâu bên trong ngôi sao của chúng ta.

Rào cản đầu tiên: nhiệt và khoảng cách nguy hiểm

Mặt Trời không chỉ là nguồn sáng mà còn là một quả cầu plasma với nhiệt độ cực cao ở mọi vùng nhìn thấy. Theo các số liệu tham khảo, phần có nhiệt độ thấp nhất trên Mặt Trời vẫn đạt khoảng 5.504°C — mức đủ để làm tan chảy hầu hết vật liệu thông thường. Trong ngữ cảnh này, có hai mốc cần ghi nhớ:

• Bộ đồ vũ trụ hiện tại được thiết kế để chịu nhiệt tối đa khoảng 120°C; vượt quá ngưỡng này sẽ khiến bộ đồ mất chức năng làm mát và dẫn tới mất nước nhanh chóng cho người mặc.
• Có những tính toán chỉ ra rằng khi tiến vào vùng cách Mặt Trời khoảng 4,8 triệu km, con người sẽ bị tác động nhiệt mạnh đến mức không thể sống sót — nói cách khác, ở khoảng cách này cơ thể sẽ ngay lập tức bị hủy hoại bởi nhiệt độ môi trường.

Vì vậy, bất kỳ nỗ lực tiếp cận Mặt Trời đều phải tính toán kỹ khoảng cách tối thiểu an toàn và biện pháp cách nhiệt rất đặc thù.

Vật liệu bảo vệ: từ bộ đồ tới lớp chắn nhiệt của tàu vũ trụ

Các giới hạn vật liệu là yếu tố quyết định khả năng một con tàu hoặc thiết bị tiếp cận Mặt Trời có sống sót được hay không. Ví dụ, các tấm gia cố nhiệt carbon–carbon (RCC) được sử dụng trên tàu con thoi có thể chịu được nhiệt độ bề ngoài lên tới gần 2.600°C. Nếu một con tàu được bọc hoàn toàn bằng vật liệu tương tự, lý thuyết cho phép nó tiếp cận tới cự ly cỡ 2 triệu km từ bề mặt Mặt Trời trước khi lớp bảo vệ bắt đầu hỏng hóc.

Tuy nhiên, ngay cả với lớp phủ chịu nhiệt mạnh như vậy, áp lực từ bức xạ và nóng chảy sẽ nhanh chóng đánh bại khả năng bảo vệ nếu tiến gần hơn nữa — nên thực tế là phải quay đầu trước khi đạt được cấp độ tiếp xúc mong muốn.

Bằng chứng thực địa: những gì tàu Parker đã làm được

Sứ mệnh thực tế cho thấy có thể tiến sâu vào môi trường Mặt Trời nhiều hơn chúng ta tưởng. Tàu thăm dò Parker của NASA, được phóng năm 2018, thực hiện nhiều lần bay qua gần Mặt Trời và đã thực hiện ít nhất bảy lần tiếp cận trước khi lần lặn vào vành nhật hoa trong lần thứ tám vào ngày 28/4/2021. Trong lần đầu tiên xuyên qua vành nhật hoa, tàu này cách tâm Mặt Trời khoảng 13 triệu km.

Nơi có nhiệt độ thấp nhất của Mặt trời là 5.504 độ C. (Ảnh: Nasa)

Tàu Parker được bảo vệ bởi tấm giáp nhiệt bằng carbon composite phủ gốm dày 11,43 cm, giúp nó chịu được nhiệt độ tới khoảng 1.377°C — đủ để chống chọi khi tiếp cận vào khoảng 6,16 triệu km tính từ tâm Mặt Trời. Mức tiếp cận này đã vượt xa kỷ lục trước đó của tàu Helios 2 (43 triệu km vào năm 1976). Để tiếp cận và di chuyển trong trường hấp dẫn mạnh của Mặt Trời, tàu Parker đã đạt vận tốc lên tới khoảng 692.000 km/giờ trong một số giai đoạn.

Các lớp của Mặt Trời: từ vành nhật hoa đến lõi

Di chuyển từ bên ngoài vào sâu hơn, Mặt Trời có thể được chia thành các vùng chính mà một quan sát viên tưởng tượng — nếu có thiết bị bảo vệ đủ — sẽ lần lượt gặp phải:

1. Vành nhật hoa (Corona)

Vành nhật hoa là lớp khí mỏng mịn phủ xung quanh Mặt Trời, quan sát rõ hơn khi có nhật thực toàn phần. Mật độ vật chất ở đây rất thấp nhưng nhiệt độ lại rất cao; có dữ liệu cho thấy vành nhật hoa nóng đến khoảng 1 triệu độ C, tức là nóng gấp nhiều lần so với lớp bề mặt quang quyển.

2. Quang quyển (Photosphere)

Quang quyển là phần bề mặt ‘‘nhìn thấy’’ của Mặt Trời, nơi phát xạ phần lớn ánh sáng mà chúng ta nhận thấy. Nhiệt độ của quang quyển thường được ước tính vào khoảng 6.000°C, với độ dày chỉ cỡ 100 km. Đây cũng là nơi diễn ra các hoạt động lộ ra như vết đen mặt trời và các chuyển động plasma, tạo ra từ trường mạnh nổi lên từ bên trong.

Vành nhật hoa nóng đến 1 triệu độ C, trong khi quang quyển của Mặt trời chỉ khoảng 5.500 độ C. (Ảnh: Nasa)

3. Vùng đối lưu (Convective zone)

Sâu hơn vào bên trong, vùng đối lưu là nơi chuyển động mạnh của plasma diễn ra trên quy mô lớn. Khoảng cách từ quang quyển đi vào vùng đối lưu ước chừng 200.000 km — tương đương khoảng 15 lần đường kính Trái Đất theo số liệu tham khảo — nơi năng lượng truyền tải bằng các cột đối lưu.

4. Vùng bức xạ (Radiative zone)

Sau vùng đối lưu là vùng bức xạ, nơi photon sinh ra và va chạm liên tục với nguyên tử. Trong các mô tả tồn tại nhiều giá trị nhiệt độ: có dữ liệu đề cập vùng này ở mức khoảng 2 triệu độ C, trong khi các mô tả khác ghi nhận nhiệt độ có thể cao tới 15 triệu độ C. Sự chênh lệch trong các con số phản ánh các cách mô tả và phạm vi khác nhau khi nói về các lớp sâu của ngôi sao.

5. Lõi (Core)

Ở trung tâm là lõi, nơi áp suất và nhiệt độ đạt cực đại, và phản ứng tổng hợp hạt nhân diễn ra: các nguyên tử hydrogen bị nén dày đặc để kết hợp thành helium, quá trình sinh ra năng lượng nuôi sống Mặt Trời. Trong một mô tả mô tả mang tính hình ảnh, để nhìn thấy các nguyên tử bên trong lõi một cách trực quan người ta nói rằng phải “thu mình” đến kích thước của một nguyên tử — để hiểu mức độ nhỏ bé tương đối của các hạt tham gia vào phản ứng. Phần lõi được miêu tả có màu hồng trong một số hình ảnh minh họa do đặc tính phát xạ khi mô phỏng các điều kiện cực độ tại đó.

Bên trong lõi của Mặt trời được nhận định là có màu hồng. (Ảnh: Nasa)

Nhìn nhận thực tế: có thể hạ cánh lên Mặt Trời không?

Nếu tách rời phần tưởng tượng khỏi các con số thực tế, kịch bản “hạ cánh” lên Mặt Trời bằng con người là gần như không thể với công nghệ hiện tại. Những lý do chính:

• Nhiệt độ và bức xạ ở những khoảng cách đủ gần để xem ‘bề mặt’ Mặt Trời là khắc nghiệt với vật liệu hiện nay.
• Mức tải nhiệt, cùng với bức xạ và trường hấp dẫn, đòi hỏi lớp bảo vệ cực dày và hệ thống làm mát chưa có tiền lệ.
• Các thiết bị có thể tiếp cận sâu nhất hiện nay là tàu thăm dò có lớp giáp nhiệt chuyên dụng, như Parker—và ngay cả với nó, tàu chỉ tiếp cận ở khoảng cách triệu đến hàng chục triệu km chứ không phải “chạm” bề mặt theo nghĩa thông thường.

Do đó, nghiên cứu tiếp tục theo hướng: cải tiến vật liệu chịu nhiệt, hiểu rõ cơ chế truyền năng lượng trong các lớp, và sử dụng những sứ mệnh không người lái để thu thập dữ liệu trực tiếp. Những dữ liệu đó cho phép chúng ta mô phỏng sâu hơn mà không phải đánh đổi sinh mạng con người.

Cần nhớ những điểm chính

Sau khi tổng hợp các thông tin hiện có, bạn nên ghi nhớ vài ý chính sau đây:

• Mức nhiệt tối thiểu ghi nhận cho Mặt Trời vẫn ở ngưỡng vài nghìn độ C; những vùng như vành nhật hoa có thể nóng tới khoảng 1 triệu độ C.
• Vật liệu bảo vệ hiện nay có giới hạn nhiệt nhất định: RCC chịu được gần 2.600°C; giáp nhiệt của Parker dày 11,43 cm chịu được khoảng 1.377°C.
• Các con số về nhiệt độ sâu bên trong (vùng bức xạ và lõi) có nhiều ước tính khác nhau; mô tả phổ biến cho lõi liên quan đến phản ứng tổng hợp hydrogen thành helium và nhiệt độ vô cùng cao.

Các câu hỏi thường gặp

1. Tại sao vành nhật hoa nóng hơn quang quyển?

Đây là một thực tế đã được quan sát: vành nhật hoa có nhiệt độ rất cao mặc dù mật độ thấp. Cơ chế làm nóng chính xác liên quan đến các hiện tượng từ trường và truyền năng lượng từ bên trong lên nhưng chi tiết nằm trong các nghiên cứu chuyên sâu.

2. Tàu Parker đã tiếp cận Mặt Trời đến mức nào?

Tàu Parker đã xuyên qua vành nhật hoa ở khoảng cách 13 triệu km tính từ tâm Mặt Trời trong lần đầu tiên, và thiết kế giáp chịu nhiệt dày 11,43 cm cho phép nó chống chọi ở cự ly cỡ 6,16 triệu km với nhiệt độ tương đương khoảng 1.377°C.

3. Có vật liệu nào chịu được nhiệt lõi Mặt Trời không?

Không có vật liệu nào hiện nay có thể chịu được điều kiện tại lõi Mặt Trời; do đó mọi nghiên cứu tiếp cận sâu đều phải dựa trên cảm biến từ xa, mô phỏng và sứ mệnh không người lái với lớp bảo vệ hạn chế.

Kết luận

Một cái nhìn thực tế vào cấu trúc Mặt Trời cho thấy: việc tiếp cận gần hay “hạ cánh” lên ngôi sao là thách thức kỹ thuật khổng lồ, bị chi phối bởi nhiệt độ, bức xạ và giới hạn vật liệu. Song những thành tựu của các sứ mệnh như Parker đã mở đường để hiểu sâu hơn từng lớp của Mặt Trời mà không cần con người trực tiếp đặt chân. Việc nghiên cứu tiếp tục sẽ dựa trên mô phỏng chính xác, vật liệu tiến bộ và các thiết bị thăm dò không người lái để lần lượt hé lộ thêm bí ẩn của ngôi sao duy nhất nuôi dưỡng sự sống trên Trái Đất.

Để có hướng dẫn thực tế giúp phân biệt một viên đá có nguồn gốc không gian và biết khi nào cần gửi mẫu đi phân tích chuyên sâu, bạn có thể đọc bài viết hướng dẫn nhận biết thiên thạch và kiểm tra sơ bộ từ các chuyên gia khoa học vũ trụ, nội dung cung cấp bước kiểm tra dễ thực hiện và dấu hiệu quan sát bề mặt.

Nếu bạn quan tâm đến những hành trình kéo dài nhiều thập kỷ ra khỏi rìa Hệ Mặt Trời và muốn biết thiết bị nào còn hoạt động, dữ liệu nào còn được gửi về, bài viết tổng quan về hành trình 45 năm của hai tàu Voyager phân tích chi tiết các khám phá và thách thức mà hai sứ mệnh này gặp phải.

Và để hiểu rõ hơn về một tin đồn khoa học từng lan truyền liên quan đến cấu trúc bề mặt các hành tinh khác, bài viết phân tích về tin đồn 20.000 kim tự tháp trên sao Kim sẽ giúp bạn phân biệt giữa dữ liệu thực tế và suy diễn dựa trên hình ảnh thăm dò.