Bí mật “cỗ máy” tiêu tốn 1,5 tỷ USD tại Mỹ: Thứ gì khiến nó sống sót ở mức nhiệt 1.377 độ C?

Nằm ở trung tâm Thái Dương Hệ, Mặt trời là ngôi sao gần Trái đất của chúng ta, nhưng những bí ẩn xoay quanh ngôi sao này vẫn khiến giới thiên văn học không ngừng tìm hiểu.

Trong một nỗ lực khám phá Mặt trời, bản thân Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ (NSF), Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) và việc NASA bắt tay Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) đã đầu tư hàng tỷ USD để cho ra đời những cỗ máy công nghệ khủng nhất, hiện đại nhất, hứa hẹn mở ra kỷ nguyên khám phá Mặt trời rực rỡ nhất cho nhân loại.

Bộ ba kính thiên văn Mặt trời đang khiến các nhà khoa học hào hứng với những khám phá tiềm năng lớn, trong đó: Tàu thăm dò Mặt trời Parker (đôi khi gọi tắt là tàu Parker) của NASA hiện đang trên đường "chạm" vào Mặt trời. Con tàu này sẽ thực hiện quỹ đạo gần nhất quanh Mặt trời, bay qua bầu khí quyển của nó vào năm 2025. Solar Orbiter, một tàu vũ trụ được phóng như một phần của sứ mệnh chung giữa ESA và NASA, sẽ trở thành sứ mệnh đầu tiên nghiên cứu các cực Mặt trời. Trở lại Trái đất, kính viễn vọng Mặt trời Daniel K. Inouye (DKIST) của Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ (NSF) sẽ thực hiện các quan sát chi tiết nhất trên bề mặt Mặt trời.

"Những sứ mệnh này sẽ cách mạng hóa những khám phá vật lý về Mặt trời trong thập kỷ này (2020 – 2029)", Yannis Zouganelis, nhà nghiên cứu thuộc sứ mệnh Solar Orbiter cho biết.

Trong nhiều thập kỷ qua, giới thiên văn học đã không ngừng giải mã Mặt trời. Hai trong số những bí ẩn lớn nhất xoay quanh ngôi sao khổng lồ này bao gồm:

– (1) Cách năng lượng và nhiệt di chuyển qua vành nhật hoa.

– (2) Khám phá điều gì làm tăng tốc gió Mặt trời cũng như các hạt năng lượng Mặt trời.

Các nhà khoa học đã tìm kiếm những câu trả lời này trong hơn 60 năm nhưng chưa có câu trả lời thỏa đáng… Đã đến lúc cuộc cách mạng khám phá Mặt trời phải được thực hiện.

Bộ ba "cỗ máy" khám phá Mặt Trời

"Bộ ba Kính viễn vọng Mặt trời DKIST của Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ (NSF) – Tàu quỹ đạo Mặt trời của ESA và NASA – Tàu thăm dò Mặt trời Parker của NASA cùng nhau báo hiệu một kỷ nguyên rực rỡ mới của những khám phá thiên văn học về Mặt trời", Giám đốc đài thiên văn DKIST Thomas Rimmele cho biết.

1. Tàu thăm dò Mặt trời Parker – 1,5 tỷ USD

Mặc dù tàu Parker (Parker Solar Probe) nặng 635kg được phóng vào năm 2018 nhưng nó vẫn chưa đạt đến quỹ đạo cuối cùng bên trong bầu khí quyển của Mặt trời, nơi nó sẽ thực hiện các phép đo chuyên sâu nhất về vành nhật hoa. Bởi để chạm đến bầu khí quyển Mặt trời, Parker cần có thời gian và sự trợ giúp từ lực hấp dẫn của sao Kim.

Hình ảnh tàu Parker đang tiếp cận Mặt trời.

Theo kế hoạch đến năm 2025, sau 7 năm chu du trong không gian, tàu Parker sẽ bay lơ lửng ở bầu khí quyển Mặt trời tại độ cao 6,1 triệu km so với bề mặt ngôi sao này (dữ liệu NASA) – trở thành tàu vũ trụ đầu tiên thực hiện các phép đo vành nhật hoa, kiểm tra trường điện từ, gia tốc hạt hoạt động của sóng và phân bố năng lượng… Parker đủ gần để chụp lại hình ảnh gió Mặt trời tăng tốc ở tốc độ siêu âm.

Để thực hiện những nghiên cứu chưa từng có này, tàu vũ trụ và các thiết bị của tàu Parker được bảo vệ khỏi sức nóng của Mặt trời bằng một tấm chắn tổng hợp sợi Carbon composite dày 11,43 cm, có khả năng chịu được nhiệt độ bên ngoài tàu vũ trụ lên tới gần 1.377 độ C, NASA thông tin.

"Lợi thế của tàu Parker chắc chắn là công nghệ đột phá đối phó với sức nóng dữ dội mà Mặt trời tạo ra. Nếu không có công nghệ này, chúng ta khó lòng chạm đến Mặt trời ở khoảng cách gần đến vậy" – Nhà khoa học Arik Posner của NASA, thành viên nhóm Parker Solar Probe cho biết.

2. Tàu Solar Orbiter – 1,5 tỷ USD

Được phóng đi vào ngày 10/2/2020, tàu Quỹ đạo Mặt trời của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) và NASA sẽ thực hiện một loạt sức mệnh: Chụp những hình ảnh gần nhất về Mặt trời, quan sát gió Mặt trời và các vùng cực, làm sáng tỏ những bí ẩn về chu kỳ Mặt trời.

Hình ảnh mô phỏng tàu Quỹ đạo Mặt trời đến gần ngôi sao khổng lồ.

Solar Orbiter sẽ mang theo 6 kính thiên văn viễn thám có khả năng chụp ảnh ngôi sao khổng lồ và 4 công cụ sẽ đo môi trường xung quanh tàu vũ trụ. Nếu chụp ảnh Mặt trời thành công, Solar Orbiter sẽ ghi dấu ấn là con tàu chụp được những hình ảnh bề mặt Mặt trời gần nhất trong lịch sử.

Bằng cách kết hợp các quan sát từ 6 thiết bị viễn thám và 4 bộ thiết bị tại chỗ, các nhà khoa học hy vọng sẽ tìm ra câu trả lời cho một số câu hỏi lớn: Điều gì thúc đẩy chu kỳ 11 năm của Mặt trời? Thứ làm nóng lớp trên của bầu khí quyển Mặt trời, vành nhật hoa, lên đến hàng triệu độ C là gì? Điều gì thúc đẩy quá trình tạo ra gió Mặt trời? Điều gì làm tăng tốc gió Mặt trời với tốc độ hàng trăm km/giây? Và tất cả ảnh hưởng đến hành tinh của chúng ta như thế nào? (trích dữ liệu của ESA).

"Nếu tàu thăm dò Mặt trời Parker thực hiện sứ mệnh 'chạm vào' Mặt trời, thì Solar Orbiter thực hiện sứ mệnh quan sát nó!" – Yannis Zouganelis cho biết.

3. Kính viễn vọng Mặt trời Daniel K. Inouye – 344,13 triệu USD

Trong khi Tàu thăm dò Mặt trời Parker và Quỹ đạo Mặt trời đều theo dõi Mặt trời từ không gian, thì kính viễn vọng Mặt trời Daniel K. Inouye (DKIST) nghiên cứu ngôi sao khổng lồ từ Trái đất, tại đỉnh núi lửa Haleakala ở Hawaii.

Tấm gương chính có đường kính 4,2m của DKIST.

Theo kế hoạch ban đầu, DKIST được đưa vào hoạt động vào mùa Hè năm 2020, tuy nhiên nó đã phải chịu sự chậm trễ do đại dịch Covid-19, và hiện dự kiến sẽ thực hiện những quan sát đầu tiên vào mùa Xuân năm 2021.

DKIST cho đến nay tự hào là kính viễn vọng Mặt trời lớn nhất trên thế giới, với gương chính có đường kính 4,2m cho phép nó thu thập nhiều ánh sáng hơn bất kỳ kính viễn vọng nào khác.

Giám đốc đài thiên văn Thomas Rimmele nói: "DKIST có thể nhìn thấy nhiều chi tiết quy mô nhỏ hơn chúng ta từng thấy trước đây. Không giống như hầu hết các kính viễn vọng hiện có, có thể phân tích từ trường trên bề mặt Mặt trời, với kính viễn vọng DKIST, lần đầu tiên chúng ta có thể thu được các đặc tính của từ trường phía trên bề mặt và trong vành nhật hoa của Mặt trời".

Các nhà thiên văn học hy vọng, DKIST có thể giải quyết được bí ẩn về cơ chế tỏa nhiệt của vành nhật hoa. Các nhà khoa học tin rằng bí ẩn này có liên quan đến từ trường của Mặt trời.

Bằng cách nghiên cứu các vết đen, DKIST cũng sẽ cung cấp các phép đo liên tục đầu tiên về các đặc tính của từ trường của vành nhật hoa, điều này sẽ giúp các nhà khoa học nghiên cứu sâu hơn các câu hỏi xung quanh gió Mặt trời.

Giải thích:

(1) Đứng đầu là bí ẩn về cơ chế tỏa nhiệt của vành nhật hoa. Nếu như ngọn lửa trên Trái đất có lượng nhiệt cao nhất ở nguồn và giảm dần khi xa ngọn lửa thì Mặt trời lại ngược lại. Bề mặt Mặt trời có nhiệt độ khoảng 5.500 độ C, nhưng lớp bên trên của nó – vành nhật hoa – lại nóng hơn ở mức 1 triệu độ C. Bằng cách thăm dò bầu khí quyển Mặt trời, các nhà khoa học hy vọng sẽ tìm ra nguyên nhân của sự đảo ngược nhiệt độ kỳ lạ đó.

(2) Một câu đố lớn thứ hai khác đang diễn ra liên quan đến gió Mặt trời – luồng hạt điện tích do Mặt trời phóng ra và thổi ra ngoài theo mọi hướng.

Khi vật chất này từ Mặt trời chạm vào Trái đất, nó có thể tạo ra hiện tượng cực quang tuyệt đẹp nhưng có thể làm hỏng vệ tinh và gây quá tải lưới điện. Các phi hành gia trong không gian có thể bị ảnh hưởng nặng nề bởi luồng bức xạ năng lượng cao này.

Tại sao chúng ta nghiên cứu Mặt trời và gió Mặt trời?

– Mặt trời là ngôi sao duy nhất chúng ta có thể nghiên cứu cận cảnh. Bằng cách nghiên cứu ngôi sao chúng ta đang sống này, chúng ta có thể tìm hiểu thêm về các ngôi sao khác trong vũ trụ.

– Mặt trời là nguồn cung cấp ánh sáng và nhiệt cho sự sống trên Trái đất. Chúng ta càng biết nhiều về nó, chúng ta càng có thể hiểu sự sống trên Trái đất phát triển như thế nào.

– Mặt trời cũng ảnh hưởng đến Trái đất theo nhiều cách. Nó là nguồn của gió Mặt trời – một luồng khí ion hóa từ Mặt trời đến Trái đất với tốc độ hơn 500km/giây.

Những nhiễu động trong gió Mặt trời làm rung chuyển từ trường Trái đất và "bơm" năng lượng vào các vành đai bức xạ, một phần của tập hợp những thay đổi trong không gian gần Trái đất được gọi là thời tiết không gian.

– Thời tiết không gian có thể thay đổi quỹ đạo của vệ tinh, rút ngắn tuổi thọ của chúng hoặc gây nhiễu cho các thiết bị điện tử trên tàu vũ trụ. Chúng ta càng tìm hiểu về nguyên nhân gây ra thời tiết không gian – và cách dự đoán nó – chúng ta càng có thể bảo vệ các vệ tinh mà ngày nay con người đang ngày càng phụ thuộc vào chúng (vệ tinh) nhiều hơn.

HT (theo khoahoc.tv)