Sống cùng một vì sao (Phần 1)

Alan Title (Physics World, tháng 11/2010)

Phóng lên quỹ đạo hồi tháng 2, dữ liệu thu về từ bộ thiết bị nhạy gắn trên Đài thiên văn Động lực học Mặt trời của NASA đã định hình lại cái chúng ta biết về các quá trình mặt trời và nguyên nhân gây ra thời tiết vũ trụ.

Ảnh: NASA

Mặt trời của chúng ta trông xinh đẹp nhất tại thời khắc nguy hiểm nhất của nó. Nét đẹp đó có thể nhìn thấy từ trên trái đất này ở dạng ánh sáng phương bắc hoặc phương nam [cực quang], chúng xuất hiện khi các hạt tích điện từ Mặt trời đến va chạm với tầng cao khí quyển của trái đất. Nhưng trong không gian ngoài kia, các hệ quả của “thời tiết vũ trụ” do Mặt trời gây ra không ôn hòa như vậy: các hạt năng lượng cao, tia X và tia gamma mà Mặt trời phát ra có thể gây hủy hoại đối với các thiết bị điện tử nhạy, làm hỏng các máy vi tính và có các tác động nguy hiểm (có lẽ khó tránh khỏi) đối với các nhà du hành vũ trụ.

Trong đa phần thời gian, bầu khí quyển và từ trường của Trái đất bảo vệ chúng ta khỏi những sự kiện dữ dội hơn xảy ra trong khí quyển mặt trời, thí dụ như các vụ nổ ở gần bề mặt thần thái dương (gọi là các tai lửa mặt trời) hay các đợt phun trào của những bọt khí khổng lồ từ bên trong Mặt trời (gọi là sự phun trào vật chất vành nhật hoa, hay CME). Tuy vậy, khi các hạt tích điện từ Mặt trời đến chạm trán với từ trường của Trái đất, thì từ trường Trái đất bị biến dạng và bị nén. Những sự thay đổi mật độ hạt tích điện trong tầng cao khí quyển có thể tạo ra những hiệu ứng nổi bật. Sự truyền thông vô tuyến có thể bị gián đoạn và, thỉnh thoảng, những sự thay đổi như vậy có thể cảm ứng những dòng điện nguy hại trong những đường dây truyền tải điện đường xa, trong cáp điện chôn dưới đất, và trong các đường ống dẫn dầu. Những tia lửa khổng lồ có thể phá hủy các máy biến điện và làm tê liệt mạng lưới cấp điện.

Nhưng giống như màn trình diễn cực quang, các quá trình mặt trời gây ra thời tiết vũ trụ cũng đẹp một cách ngoạn mục. Ảnh bên dưới cho thấy một tai lửa hình vành phun lên từ bề mặt Thái dương, gửi một xung plasma lao nhanh ra ngoài ở tốc độ khoảng 300 km/s. Trước khi phun trào, tai lửa này tồn tại dưới dạng một ống dài chất liệu từ tính, tương đối nguội, ở ngay phía trên bề mặt khả kiến. Sau đó, nó bị mất ổn định bởi những cơ chế chưa được hiểu rõ hoàn toàn. Những cơ chế như vậy là quan trọng vì chúng có thể tạo ra các CME, những vụ phun trào có thể phóng thích tới 10 tỉ tấn plasma nóng vào trong nhật quyển – cùng với những hậu quả nghiêm trọng cho bất kì vật nào, con người hay bất cứ thứ gì khác, nằm trên đường đi của chúng.

Một trong những mục tiêu chính của sứ mệnh Đài thiên văn Động lực học Mặt trời (SDO) của NASA là tìm hiểu các cơ chế mất ổn định này. Để hiểu rõ thêm về chúng, và những hiện tượng do chúng tạo ra, chúng ta cần phải có thể quan sát các sự kiện mặt trời khi chúng xảy ra. Điều này không dễ dàng gì. Các tai lửa và CME có thể xuất hiện bất kì nơi đâu, bất kì lúc nào, cho nên chúng ta cần một hệ thống theo dõi có thể quan sát toàn bộ bề mặt Thái dương một cách liên tục. Ngoài ra, các vụ nổ mặt trời thường diễn ra nhanh chóng – tốc độ 1000 km/s không phải là hiếm – cho nên các bức ảnh phải thu được ở tốc độ và thời gian phơi sáng có thể thu lấy sự phát triển của những sự kiện phức tạp này. Việc gửi dữ liệu từ quá nhiều hình ảnh như vậy trở về Trái đất và sau đó phân phối đến cộng đồng khoa học cũng gặp khó khăn. Cuối cùng, luôn có các trở ngại thường gặp đi cùng với sự làm việc trong không gian: bạn chỉ phóng lên một lần, cho nên nếu thiết bị hoạt động, thì bạn không thể sửa nó được; toàn bộ thiết bị phải càng nhẹ càng tốt vì tiêu tốn đến 200.000 bảng Anh cho mỗi kilogram thiết bị phóng lên; và các thiết bị nhạy cùng máy vi tính phải có thể trụ vững với thời tiết vũ trụ cực độ mà chúng muốn nghiên cứu, không có sự bảo vệ của từ trường Trái đất.

Hình 1. Các tai lửa đang phun trào dữ dội của Mặt trời có thể có những hệ quả thực sự đối với chúng ta trên Trái đất – từ sự truyền thông vô tuyến bị gián đoạn cho đến các máy biến điện bị hỏng hóc.

Tất cả những yếu tố này gây thách thức cho những người trong chúng tôi phụ trách thiết kế các thiết bị trên SDO. Là sứ mệnh đầu tiên trong chương trình “Sống cùng một vì sao” của NASA, mục đích của SDO là giúp chúng ta hiểu rõ hơn các sự kiện mặt trời xảy ra như thế nào, thí dụ như tai lửa hình vành ở Hình 1, sự tác động lên nhật quyển và, đặc biệt, chúng gây ra thời tiết vũ trụ như thế nào. Nhằm mục tiêu ấy, SDO đang được xây dựng trên những sứ mệnh trước đây như SOHO và STEREO, tương ứng phóng lên quỹ đạo vào năm 1995 và 2006. Hai sứ mệnh này vẫn đang hoạt động, bổ sung thêm kiến thức của chúng ta về các sự kiện mặt trời bằng cách thu thập thêm dữ liệu về vành nhật hoa phía ngoài và, trong trường hợp STEREO, cung cấp thêm các góc nhìn của những vụ phun trào mặt trời. Tương tự như vậy, TRACE, phóng lên vào năm 1996 và đã ngừng hoạt động hồi tháng 9, cung cấp các bức ảnh phân giải cao của những vùng chọn lọc của khí quyển mặt trời.

Kết quả từ những sứ mệnh có trước này mang lại một cái nhìn thoáng trêu ngươi của cách thức Mặt trời hoạt động. Tuy nhiên, sứ mệnh mới này sẽ cho chúng ta biết nhiều về Mặt trời hơn so với các tiền bối của nó. Toàn bộ những ảnh chụp trước đây của nhật hoa đều chịu ba hạn chế lớn. Một là chúng không kết hợp sự phân giải không gian cao với các quan sát bao quát toàn bộ đĩa Mặt trời. Thứ hai, các thiết bị đó không thể chụp quá nhiều hình ảnh nhanh liên tiếp nhau (gọi là hoạt động “cao phách”) do các hạn chế tốc độ gửi dữ liệu về Trái đất. Và cuối cùng, vì các thiết bị trước đây không thể chụp các bức ảnh trong một ngưỡng bước sóng khác nhau, và ở tốc độ có sánh với sự phát triển nhật hoa, cho nên không thể phân biệt các sự kiện quan sát thấy là do sự nóng lên, nguội đi, hay là do các thay đổi mật độ.

Bộ ba giám sát mặt trời

SDO được phóng lên từ Trung tâm Vũ trụ Kennedy, vào hôm 11/02 và được mang vào quỹ đạo địa tĩnh, cách bề mặt Trái đất 36.000 km, bởi tên lửa Atlas V. Ba thiết bị gắn trên tàu được thiết kế để bổ sung cho nhau. Máy ảnh Từ và Nhật quyển (HMI), do các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Stanford và Phòng thí nghiệm Thiên văn Vật lí Vũ trụ Lockheed Martin (LMSAL) phát triển, sẽ nghiên cứu hành vi của từ trường ở bề mặt Thái dương. Để thực hiện nghiên cứu này, mỗi 30s HMI sẽ lập bản đồ dòng chảy vật chất trên bề mặt thái dương. Nó cũng lập bản đồ từ trường “theo hướng nhìn” trong mỗi 45s và bản đồ vec-tơ từ trường trong mỗi 15 phút. Các bản đồ dòng chảy mặt cho chúng ta suy luận ra một số cái đang diễn ra bên dưới bề mặt Thái dương, vì hình ảnh dòng chảy mặt có thể tiết lộ hành trạng của từ trường ngay trước khi chúng xuất hiện ở bán cầu nhìn thấy. Trong khi đó, các bản đồ vec-tơ từ trường, thể hiện hướng và độ lớn của từ trường ló ra từ bề mặt thái dương. Như với các bản đồ “theo hướng nhìn”, chúng cho ta biết từ thông theo hướng đổ về Trái đất. Vec-tơ trường thì mang lại nhiều thông tin hơn, nhưng các phép đo theo hướng nhìn thì nhạy hơn.

Hình 2. Bốn kính thiên văn và camera CCD của Bộ Ghi ảnh Khí quyển (AIA) gắn trên phi thuyền Đài thiên văn Động lực học Mặt trời, chụp trong giai đoạn chuẩn bị cho chuyến bay. (Ảnh: NASA)

Thiết bị thứ hai trên SDO là Bộ Ghi ảnh Khí quyển (AIA), cũng được phát triển tại LMSAL (hình 2). Nhiệm vụ của nó là nghiên cứu nhật hoa mặt trời phản ứng như thế nào với từ trường mà HMI quan sát thấy ở gần bề mặt Thái dương. Bốn chiếc kính thiên văn của AIA hướng ánh sáng vào bốn camera CCD, chúng chụp ảnh của bầu khí quyển Mặt trời ở những bước sóng tương ứng với các trạng thái ion hóa của sắt và helium, đồng thời là ba dải phổ trong vùng tử ngoại. Dữ liệu từ các vạch quang phổ sắt cho phép chúng ta lập bản đồ nhiệt độ của nhật hoa trong một dải từ 700.000 đến 20.10⁶ J, còn dữ liệu helium khảo sát nhiệt độ từ 30.000 đến 100.000 K.

Thiết bị cuối cùng gắn trên SDO là Thí nghiệm Tính biến thiên Tử ngoại Cực ngắn (EVE). Được phát triển bởi đội ngũ tại Phòng thí nghiệm Vật lí Vũ trụ và Khí quyển thuộc trường Đại học Colorado, EVE gồm một ma trận quang phổ kế đo suất phản chiếu toàn phần của mặt trời trên các bước sóng từ 0,1 đến 105 nm. Vì EVE và AIA đang bay cùng với nhau, cho nên người ta luôn có thể kết hợp các thay đổi suất phản chiếu của Mặt trời với các sự kiện mặt trời đặc biệt, bằng cách so sánh khoảng cách thời gian của các biến thiên trong các phép đo của EVE với dữ liệu dải phổ trong các ảnh chụp của AIA.

Còn tiếp phần 2....