Chương 9: Nguồn năng lượng từ ngoài của các thiên thể

Lý do tụ điện có thể liên tục phóng điện mà vẫn duy trì được hiệu điện thế giữa cực âm và cực dương của chúng là bởi vì chúng được cắm vào nguồn điện bên ngoài. Vậy điện trong hệ mặt trời của chúng ta đến từ đâu? Nhà vật lý thiên văn Michael J. Longo từ trường Đại học Michigan đã nghiên cứu kỹ lưỡng hơn 40.000 thiên hà. Sau nhiều bước xử lý dữ liệu và phân tích - Tôi sẽ tha cho bạn đọc những tính toán chi tiết mà bạn có thể xem trong bài viết của ông - kết luận của ông là như sau:
Sự trùng hợp đáng lo ngại của các phân điểm và đường hoàng đạo với AE [trục của mặt phẳng hoàng đạo] giờ được xem là tình cờ do định nghĩa của đường hoàng đạo dọc RA [xích kinh độ] = 180° và 0°, gần các cực thiên hà. Nó không phải là dấu hiệu của sự sai lệch nghiêm trọng trong quan sát dẫn đến các dữ liệu WMAP. Tất cả các sự trùng hợp đều có thể được giải thích với một từ trường vũ trụ sắp thẳng hàng trục quỹ đạo cyclotron của các electron và đặt dấu ấn đa cực của nó lên CMB.
Nói theo ngôn ngữ đơn giản, Longo đã kết luận rằng trục quay của các thiên hà được sắp thẳng hàng dọc theo cùng một đường và sự sắp xếp này không thể là do ngẫu nhiên. Cùng với Longo, Alfven, Campanelli và Schwarz đều cho rằng sự sắp xếp thẳng hàng của trục quay các thiên hà là do một dòng điện chạy theo vòng tròn khổng lồ trong vũ trụ. Mặc dù nguồn gốc của dòng điện vòng tròn chạy quanh "khoảng không" vũ trụ này vẫn còn là ẩn số, sự sắp xếp thẳng hàng của trục quay các thiên hà là bằng chứng gián tiếp về sự tồn tại của nó. Hình dưới minh họa sự sắp xếp thẳng hàng của các trục quay thiên hà này dọc theo dòng điện vòng tròn liên thiên hà (màu hồng).
Ảnh
© Trujillo, Carretero, Patiri
Các thiên hà nằm quanh khoảng trống lớn nhất trong vũ trụ có trục quay thẳng hàng với dòng điện chạy xung quanh khoảng trống đó

Dòng điện Birkeland vòng tròn khổng lồ này (xem chương sau "Plasma giữa các vì sao") có thể là nguồn năng lượng bên ngoài cung cấp cho các thiên hà. Nó cũng có thể giải thích việc các thiên hà chủ yếu quay theo cùng một chiều mà Longo đề cập đến trong bài viết của ông, do chiều quay và tốc độ quay của thiên hà phụ thuộc vào dòng điện nguồn bên ngoài này. Như hình dưới cho thấy, không gian bên trong mỗi thiên hà cũng có vẻ tuân theo cùng một quá trình như không gian liên thiên hà.
Ảnh

Dòng điện đi thẳng vào lõi thiên hà và đi ra qua các cánh tay
Dòng thiên hà (dòng màu xanh ở trung tâm) là một dòng điện Birkeland khổng lồ đến từ vòng điện tròn liên thiên hà (sắp xếp thẳng hàng các thiên hà như được mô tả ở trên), đi vào thiên hà thông qua lõi của nó và truyền dọc các cánh tay thiên hà. Cũng như dòng điện giữa các thiên hà có thể giải thích tính liên kết cùng trục và cùng hướng quay của chúng, dòng điện bên trong mỗi thiên hà có thể giải thích tại sao hầu hết các ngôi sao nằm gọn trong cánh tay thiên hà, nghĩa là dọc theo dòng điện của thiên hà.

Điều này áp dụng với thiên hà của chúng ta, Dải Ngân Hà, nơi hầu hết các ngôi sao tập hợp thành nhóm dọc các cánh tay thiên hà như trong hình dưới. Nó cũng áp dụng với hệ mặt trời của chúng ta, nằm gọn trong một cánh tay của Dải Ngân Hà, cánh tay Orion.
Ảnh
© National Geographic
Trong Dải Ngân Hà, cũng như những thiên hà khác, các ngôi sao xếp hàng dọc theo cánh tay thiên hà. Mũi tên màu đỏ chỉ vị trí hệ mặt trời của chúng ta.
Ngoài việc sắp xếp các thiên hà thẳng hàng dọc theo "vòng tròn liên thiên hà" và khiến chúng quay, đồng thời tập hợp các ngôi sao bên trong mỗi thiên hà dọc theo các cánh tay thiên hà, dòng điện Birkeland còn có thể là nguồn điện bên ngoài mang năng lượng đến cho chính mỗi ngôi sao và khiến chúng quay. Đến lượt mình, mỗi ngôi sao có thể là nguồn điện bên ngoài mang năng lượng đến cho các hành tinh và khiến chúng quay.

Những điều này vẫn chỉ là giả thuyết. Ngày nay, nguồn điện bên ngoài mang năng lượng đến cho các thiên thể vẫn còn chưa được làm rõ. Ngay cả những nhà vũ trụ học plasma cũng không có câu trả lời rõ ràng cho câu hỏi này.
Những nghiên cứu về từ trường trong các cánh tay thiên hà xoắn ốc cho thấy dòng điện chạy dọc theo cánh tay có dạng sợi Birkeland xoắn ốc. Nhưng rốt cuộc, chúng tôi không rõ nguồn năng lượng ấy đến từ đâu.
Từ những quan sát liệt kê ở trên, có vẻ như các thiên thể được truyền năng lượng bằng điện đến từ nguồn điện bên ngoài theo từng lớp từ lớn đến nhỏ. Khoảng trống liên thiên hà truyền năng lượng cho các thiên hà, làm chúng sắp xếp thẳng hàng và quay. Đến lượt mình, thiên hà sắp xếp thẳng hàng các ngôi sao, truyền năng lượng cho chúng và khiến chúng quay. Cuối cùng, ngôi sao truyền năng lượng cho các hành tinh và khiến chúng quay.

Nếu giả thuyết này là đúng, nó có nghĩa rằng các ngôi sao - bao gồm cả Mặt Trời của chúng ta - không có chuyện "cháy hết nhiên liệu" theo cách mà những giả thuyết chính thống về Mặt Trời đề xuất.

Vậy là, đối với hệ mặt trời của chúng ta, Mặt Trời truyền năng lượng cho các hành tinh - bao gồm cả Trái Đất - và làm cho chúng quay. Cũng lưu ý rằng tất cả các hành tinh đều nằm trên cùng một mặt phẳng (mặt phẳng hoàng đạo) cũng giống như hầu hết các ngôi sao đều nằm trên mặt phẳng thiên hà.

Tóm lại, cùng một quá trình dường như lặp lại ở tất cả mọi quy mô, như một phân dạng. Thực thể lớn hơn truyền năng lượng cho thực thể nhỏ hơn, trong khi thực thể nhỏ hơn lại truyền năng lượng cho thực thể nhỏ hơn nữa. Ở mọi quy mô, chúng ta thấy sự hiện diện của dòng điện Birkeland chạy trong plasma trong không gian vũ trụ, bao quanh các thiên thể (thiên hà, sao và hành tinh), và đạo diễn sự định hướng, chuyển động trong quỹ đạo và quay tròn của màn ba lê vũ trụ này.

Chương 10: Plasma giữa các vì sao

Cho đến gần đây, không gian vũ trụ được cho là hoàn toàn trống rỗng, một chân không hoàn hảo. Quan điểm này vẫn được công nhận rộng rãi, mặc dù nó không hoàn toàn đúng, như tôi đã nhắc đến ở những chương trước. Không gian vũ trụ không phải là trống rỗng. Nó chứa đầy plasma. Plasma vũ trụ này bao gồm chủ yếu là những phân tử rất nhẹ: ion hydro và heli cộng với electron, và mật độ của nó là khoảng một hạt (ion) trên một cm khối. Để so sánh, mật độ của khí quyển là khoảng 1013 hạt trên một cm khối.

Ảnh

Dòng điện Birkeland chạy qua không gian "trống rỗng" giữa các vì sao
Như dòng điện Birkeland đi qua khoảng cách hàng năm ánh sáng trong không gian "trống rỗng" ở hình bên cho thấy, mật độ rất thấp của plasma vũ trụ không ngăn cản các hiện tượng điện xảy ra. Bạn có nhớ thí nghiệm Millikan với việc lực điện từ gây ra bởi một electron duy nhất có thể ảnh hưởng một khoảng không gian rộng xung quanh nó không? Ở quy mô vũ trụ, tính chất điện của plasma vũ trụ cho phép dòng điện chạy giữa các thiên thể bởi vì plasma có độ dẫn điện cao. Điều này cho phép trao đổi điện tích giữa bề mặt của một thiên thể và lớp ngoài của DL của nó, cũng như với bất cứ vật gì bên trong DL.

Theo Hannes Alfven và James McCanney, plasma trong vũ trụ là trung tính hoặc hơi mang điện tích dương. Tuy nhiên, có một số tranh cãi xung quanh điện tích của gió mặt trời. Trong khi quan điểm chính thống là gió mặt trời là trung tính về mặt điện tích, nhà toán học và địa vật lý người Anh Sydney Chapman tuyên bố từ những năm 1930 rằng nó được tạo thành bởi plasma mang điện tích dương. Gần đây hơn, nhà vật lý học Luis Alvarez tranh luận rằng gió mặt trời có điện tích tổng thể là dương. Jean Martin Meunier cũng tuyên bố rằng gió mặt trời không phải trung tính về mặt điện tích và chứng minh nó như sau:
Gió mặt trời về tổng thể mang điện tích dương; nó chứa nhiều proton h+ hơn nhiều so với electron. Tại sao? Bởi vì electron bị đẩy đi trong không gian thiên hà với vận tốc từ 10.000 đến 300.000 km/s bởi tia cực tím, X quang và gamma của mặt trời (hiệu ứng Compton). Kết quả: Gió mặt trời (tốc độ từ 300 đến 900 km/s) là một dòng proton cố gắng để tái cân bằng sự mất mát electron.
Chương 11: Dòng điện trong plasma

Bạn còn nhớ quả cầu plasma và những sợi phát sáng nối từ điện cực trung tâm đến lớp nhựa ở ngoài quả cầu không? Đó là một phóng điện trong plasma điển hình. Nhưng tại sao dòng điện trong plasma lại có hình dạng sợi như vậy? Để hiểu hiện tượng này, chúng ta phải nhớ lại bài học vật lý trong trường phổ thông, đặc biệt là bài học về điện từ và cách mà từ trường được tạo ra bởi một sợi dây dẫn điện.
Ảnh
© physick.wikispaces.com
Từ trường tạo ra bởi dòng điện chạy qua một dây điện thẳng
Ảnh

Đường từ trường (vòng tròn vàng) "kẹp" dòng điện
Birkeland thành hình sợi dài (hình trụ màu tím)
Ảnh
© Thunderbolts.info
Tương tác điện từ khiến hai sợi điện tiến lại gần và xoắn quanh nhau tạo thành một cặp sợi xoắn, còn được gọi là "xoáy plasma"
Trong hình trên, chúng ta có thể thấy rằng dòng điện trong dây (màu xanh và vàng) tạo ra các vòng từ tính (mũi tên tròn màu đen) theo hướng vuông góc với dòng điện (mũi tên đỏ). Tương tự, dòng điện trong plasma sẽ tạo ra những vòng từ tính vuông góc với nó. Tuy nhiên, không giống như sợi dây đồng cứng, trong hầu hết các trường hợp plasma có thể lưu chuyển dễ dàng. Bởi vậy, các vòng tròn từ tính giới hạn sự phóng điện trong plasma thành hình dạng sợi (xem hình tiếp). Như vậy là từ trường mang đến hình dạng sợi cho chính dòng điện tạo ra nó. Theo cách này, một dòng điện trong plasma tạo ra từ trường để rồi từ trường đó dẫn dắt hay "kẹp chặt" nó. Nói một cách khác, lực kẹp là sự bóp chặt sợi dây dẫn điện bởi lực của từ trường. Những dòng điện hình dây trong plasma này còn được gọi là dòng điện Birkeland.

Bây giờ chúng ta đã biết dòng điện một sợi trong plasma, hay dòng điện Birkeland, hoạt động thế nào, hãy xem điều gì xảy ra với hai sợi điện gần nhau trong plasma, như ở hình bên. Ban đầu, từ trường tạo ra bởi mỗi sợi hút lẫn nhau và có xu hướng nhập với nhau. Tương tác điện từ này khiến hai sợi tiến lại gần nhau hơn (phần trên). Sau đó, từ trường xoay vòng làm cho hai sợi xoay quanh nhau (phần dưới). Đây gọi là một xoáy plasma.

Lưu ý lúc đầu hai sợi được hút lại gần nhau bởi từ tính, nhưng một khi chúng đủ gần, một lực đẩy được sinh ra giữ chúng tách rời nhau. Điều thực sự xảy ra là các hạt trong plasma được kéo lại gần nhau bởi cái được gọi là lực Lorentz (xem chương tiếp theo), do vậy plasma co cụm lại. Nhưng rồi, sự co cụm lại bị chống lại bởi áp suất khí ngày càng tăng của plasma. Lực hút và lực đẩy cùng hành động để tạo ra một cấu hình rất ổn định, trong đó hai sợi giữ cách nhau một khoảng cách nhất định. Chúng không thể hợp nhất, nhưng chúng cũng không thể tách rời.

Hãy nhớ hình dạng các sợi xoắn ốc và chuyển động quay vòng của chúng trong đầu, bởi vì chúng ta sẽ gặp nhiều hiện tượng tương tự trong tự nhiên ở những chương tiếp theo (ví dụ như lốc xoáy, bão, hình dạng thiên hà, đuôi sao chổi, chuyển động quay của các ngôi sao và hành tinh, v.v...). Ví dụ, Anthony Peratt sử dụng chuyển động xoắn ốc của các sợi trong plasma quan sát được trong điều kiện phòng thí nghiệm để giải thích sự hình thành của thiên hà (hình dưới).
Ảnh
© Peratt
Mô phỏng sự hình thành của thiên hà trên siêu máy tính bởi Anthony Peratt, dựa trên tương tác giữa các hạt tích điện
Chương 12: Động cơ homopolar

Dòng điện Birkeland và chuyển động xoắn ốc của hai sợi điện có liên quan chặt chẽ đến một khái niệm khác: động cơ homopolar. Còn được gọi là động cơ Faraday, chúng hoạt động dựa trên lực tạo ra bởi tương tác giữa dòng điện và từ trường (lực Lorentz hay lực Laplace). Vậy là trong tự nhiên, hai loại năng lượng vô hình, từ trường và dòng điện, có thể tương tác với nhau và tạo ra một lực cơ học rất hữu hình, lực Lorentz.

Lực Lorentz tỷ lệ thuận với dòng điện và từ trường. Dòng điện và từ trường càng mạnh bao nhiêu thì lực Lorentz được sinh ra càng mạnh bấy nhiêu. Đây là nguyên lý của động cơ homopolar, loại động cơ đơn giản nhất. Nó cũng là nguyên lý cơ bản đằng sau hầu hết các loại động cơ điện khác.

Lực Lorentz vuông góc với mặt phẳng tạo bởi dòng điện và từ trường. Nếu bạn giơ bàn tay phải lên như ở hình dưới, lực Lorentz (F) sẽ đi theo hướng ra khỏi lòng bàn tay của bạn nếu bạn tưởng tượng dòng điện (I) chạy dọc bàn tay theo hướng ngón tay cái giơ ra, và từ trường (B) đi lên trên theo hướng ngón tay trỏ của bạn.
Ảnh
© Sott.net
Hướng của lực Lorentz so với chiều dòng điện và từ trường
Hình dưới cho thấy một động cơ homopolar tạo bởi, từ trên xuống dưới, một cục pin, một cái đinh vít và một cục nam châm. Một đoạn dây điện đóng mạch và nối đỉnh của cục pin với nam châm. Sự kết hợp của từ trường (B - tím) và dòng điện (I - đỏ) tạo ra lực Lorentz (F - xanh lá cây). Đó là lực điện làm quay nam châm. Chiều quay được biểu thị bởi mũi tên màu da cam.
Ảnh
© Sott.net
Mô hình động cơ homopolar với các mũi tên chỉ từ trường, dòng điện, lực Lorentz được tạo ra và hướng quay
Bất cứ vật liệu dẫn điện nào có dòng điện chạy qua và nằm trong từ trường cũng chịu tác động của lực Lorentz như vậy. Điều này cũng áp dụng đối với các thiên thể. Kristian Birkeland tạo ra mô hình về trạng thái điện của các thiên thể với thí nghiệm terrella (Trái Đất nhỏ) của ông (xem hình dưới), trong đó ông thả một điện cực tích điện hình cầu vào một chân không (mô phỏng Trái Đất trong vũ trụ). Dưới đây là mô tả thí nghiệm terrella đầu tiên:
Sau khi Birkeland hài lòng rằng các electron đang tỏa ra từ cực âm, ông bật công tắc bên cạnh để hoạt động cái nam châm điện bên trong terrella. Chỉ sau vài giây, một quầng sáng tím có thể được thấy bao quanh Trái Đất ở xích đạo. Khi Birkeland tăng cường độ từ trường quanh Trái Đất, vòng tròn chia làm đôi, và hai vòng tròn bắt đầu di chuyển về phía hai cực. Khán giả im phăng phắc khi hai vòng xoắn ốc phát quang bay lượn xung quanh hai cực Trái Đất, kỳ lạ và huyền diệu. Sau vài phút, Birkeland tắt nam châm và cực âm trong terrella; quầng sáng biến mất và tất cả khán giả thở phào.
Ảnh
© Sott.net
Thí nghiệm terrella của Birkeland
Birkeland nhận thấy rằng trước khi vòng tròn tạo ra bởi sự phóng điện chia đôi, sự phóng điện tập trung chủ yếu ở vùng xích đạo và vùng cực của điện cực, như được thấy ở hình dưới. Điều này cho thấy hầu hết dòng điện đi vào ở vùng cực thoát ra qua vùng xích đạo. Điều này phù hợp với các quan sát với Mặt Trời. Chúng cho thấy cường độ sáng mạnh hơn và tốc độ quay nhanh hơn xung quanh khu vực xích đạo.

Lập luận bằng phương pháp ngoại suy và áp dụng nguyên lý của động cơ homopolar vào các thiên thể như các ngôi sao và hành tinh, chúng ta thấy rằng nam châm "bên trong" của thiên thể đóng vai trò cái nam châm hình trụ của động cơ. Nguồn điện bên ngoài thiên thể đóng vai trò cục pin. Chân không tương đối trong không gian vũ trụ là tương đương với chân không tương đối tạo ra trong phòng thí nghiệm. Và dòng điện Birkeland đi qua plasma xung quanh thiên thể đóng vai trò sợi dây điện đóng mạch bằng cách kết nối pin với nam châm.

Nếu một thiên thể là dẫn điện, có dòng điện chạy qua và nằm trong từ trường, nó cũng sẽ phải chịu lực Lorentz. Nhìn theo cách này, các ngôi sao và hành tinh là những động cơ homopolar khổng lồ, và do đó chúng quay. Vì vậy, khi dòng điện hay từ trường giảm cường độ, tốc độ quay cũng sẽ giảm theo.

Lưu ý rằng Mặt Trăng không quay. Như đã giải thích ở trên, Mặt Trăng chưa phát triển được một lớp kép (DL) của riêng nó. Nó không có tầng điện ly bởi vì điện thế của nó bằng với điện thế của không gian xung quanh. Điện thế bằng nhau, Mặt Trăng không có dòng điện chạy qua, vậy nên không có lực Lorentz nào được tạo ra và Mặt Trăng không quay.

Đối với các nhà vũ trụ học plasma, lực đẩy khiến các ngôi sao quay chính là điện:
... trong vũ trụ mà chúng ta quan sát được, chúng ta thấy từ trường kết nối các thiên hà. Những thiên hà được "xâu lại như những hạt cườm trên chuỗi hạt", dọc theo đường dây điện vũ trụ. Các thiên hà và ngôi sao bên trong chúng được đẩy để quay như những động cơ điện đơn giản nhất, gọi là động cơ "homopolar" hay Faraday. Những cánh tay xoắn ốc có ở khắp nơi của các thiên hà đi theo đường các dòng điện từ trung tâm thiên hà đến vùng ngoại vi... Từ quan điểm điện, chúng tôi đưa ra nhận xét đơn giản rằng việc gia tăng dòng điện đi vào các ngôi sao sẽ dẫn đến tốc độ quay tối đa được gia tăng.
Trong phần III, chúng ta sẽ xem xét cách mà lực Lorentz (kết quả của sự tương tác giữa dòng điện và từ trường) có vai trò trong rất nhiều hiện tượng tự nhiên trên Trái Đất.

Cho đến giờ, trong phần I này, chúng tôi đã giới thiệu một số khái niệm cơ bản về lý thuyết vũ trụ điện và vũ trụ học plasma: vai trò chủ đạo của plasma tích điện, cách mà những điện thế khác nhau hình thành xung quanh các thiên thể và tạo ra một điện trường thông qua đó dòng điện có thể chạy, điện tích tương đối của các vật thể trong hệ mặt trời của chúng ta, và vai trò của điện (cụ thể là lực Lorentz) trong việc hình thành cấu trúc của các thiên hà và hệ mặt trời, và khiến chúng quay. Bây giờ, trong phần II, chúng ta sẽ xem xét lý thuyết Nemesis và vị trí của nó trong khuôn khổ tạo ra bởi những khái niệm trên.