Hành trình đến với hành tinh trong cùng hệ Mặt trời

Tháng 3 năm 2011, MESSEGER thực hiện điều mà Mariner 10 không thể làm: xâm nhập vào quỹ đạo sao Thủy để nghiên cứu sâu hơn hành tinh này chứ không chỉ nhìn thoáng như khi bay ngang qua. Sao Thủy là hành tinh ít được khám phá nhất trong số các hành tinh vùng trong (của hệ Mặt trời). Sự biến đổi địa mạo và ánh sáng chỉ là hai trong số những bí ẩn của nó. Được phóng vào năm 2004, MESSEGER, viết tắt của “MErcury Surface, Space ENvironment, GEOchemistry, and RAnging” (Bề mặt sao Thủy, môi trường không gian, địa hóa học và đo đạc khoảng cách), được thiết kế để trả lời 6 câu hỏi lớn: Thành phần của bề mặt sao Thủy là gì? Lịch sử địa chất của nó là gì? Làm thế nào mà một hành tinh nhỏ lại có từ trường toàn cục? Lõi kim loại của nó có tan chảy không? Những vùng sáng trên sóng radar tại các cực là gì? Quá trình gì chi phối bầu khí quyển loãng? Sứ mạng của MESSEGER là phải hoàn thành công việc mà Mariner 10 để lại.

Sao Thủy chỉ lớn bằng một nửa Mặt trăng và có vài đặc tính giống Trái đất, ví dụ như có từ trường toàn cục. Bề mặt chứa nhiều miệng núi lửa là dấu hiệu chứng tỏ nó có hoạt động địa chất khá trẻ.

Năm 2008 và 2009, tàu thám hiểm không gian của NASA thực hiện chuyến bay ngang đầu tiên qua sao Thủy kể từ giữa thập kỉ 1970 để chụp ảnh một bán cầu với độ chi tiết chưa bao giờ đạt được trước đây và đã chứng kiến hoạt động plasma hỗn loạn không ngừng.

Ngày 18 tháng 3 năm 2011, MESSENGER đi vào quỹ đạo quanh sao Thủy và bắt đầu nhiệm vụ quay một năm (năm Trái đất) trên quỹ đạo. Do tốc độ quỹ đạo nhanh và vị trí quá gần với Mặt trời, việc đi được đến đó là rất khó.

ĐƯỜNG ĐẾN SAO THỦY

Đi xuống địa ngục
Một lý do mà phải mất tới 3 thập kỷ người ta mới tiếp tục được nhiệm vụ Mariner 10 là việc đi được đến sao Thủy và tồn tại được ở đó là những thách thức lớn về công nghệ. Tàu vũ trụ trên một đường bay thẳng từ Trái đất rơi vào trường hấp dẫn của Mặt trời và gia tốc đến gần 13km/s nhanh hơn vận tốc quỹ đạo sao Thủy. Động cơ tên lửa truyền thống không thể phanh con tàu vũ trụ đủ để bắt kịp quỹ đạo gây ra bởi lực hấp dẫn của hành tinh. Về mặt năng lượng, đi tới sao Thủy khó khăn hơn rất nhiều so với đi tới sao Mộc mặc dù sao Mộc ở xa hơn.

Hình 1

Để đạt được điều này, MESSENGER thực hiện một chuyến bay ngang qua Trái đất, hai chuyến ngang qua sao Kim và ba qua sao Thủy. Mỗi lần như vậy, một phần momentum của tàu vũ trụ được chuyển qua hành tinh. Quá trình này giống như hiệu ứng súng cao su hấp dẫn được sử dụng để đẩy tàu vũ trụ ra các hành tinh bên ngoài, ngoại trừ việc quỹ đạo được thiết kế sao cho tàu vũ trụ bay chậm lại thay vì bay nhanh hơn. Liên tục trong hơn sáu năm rưỡi, một chuỗi các chuyến bay ngang làm vận tốc mất đi 11 km/s.

Nhờ đó, động cơ tên lửa chính của MESSENGER đã hoàn thành nhiệm vụ. Tàu vũ trụ được xây dựng giống như một thùng khí bay, với kết cấu tối thiểu và nhẹ nhàng bao quanh các bồn chứa nhiên liệu (1, hình 1). Lúc phóng tổng khối lượng tàu vũ trụ là 1100 kg, và hơn một nửa, khoảng 600 kg là nhiên liệu.

Nhưng đi được đến đó chỉ là một nửa niềm vui. Ở sao Thủy, ánh sáng Mặt trời sáng hơn 11 lần ở Trái đất và bề mặt hành tinh đạt đến nhiệt độ đủ cao để làm tan chảy kẽm. Do vậy, tàu vũ trụ phải nằm ẩn phía sau một tấm chắn (2, hình 1) dệt từ sợi gốm. Các tấm pin Mặt trời (3, hình 1), tất nhiên, phải nhô ra ngoài tấm chắn dù được thiết kế để hoạt động ở nhiệt độ cao, chúng phải nghiêng một góc lớn sao cho bề mặt hấp thụ chỉ một phần nhỏ ánh sáng Mặt trời và không bị quá nhiệt.

Các công cụ khoa học cần phải hướng về phía bề mặt hành tinh. Để chịu được sức nóng, máy ảnh (4, hình 1) ngự trên 400gram paraffin. Khi tàu vũ trụ nằm thấp trên quỹ đạo, paraffin tan chảy, hấp thụ nhiệt; khi tàu vũ trụ ở vị trí cao hoặc ở phần bóng đêm, paraffin đóng băng lại chuẩn bị cho lần vượt tiếp theo.

Một thách thức khác nữa là tốc độ quay quanh trục của sao Thủy rất chậm. Một ngày Mặt trời trên sao Thủy, từ lần Mặt trời mọc này đến lần Mặt trời mọc khác bằng 176 ngày trên Trái đất. Nhiều khu vực sẽ hiển thị ở góc nhìn lý tưởng chỉ trong một vài chu kỳ ngắn trong nhiệm vụ một năm này.

LỚP VỎ

Không chết chóc như nó có vẻ
Trước tàu Mariner 10, một số nhà khoa học dự đoán rằng sao Thủy đã chết về mặt địa chất giống như Mặt trăng của Trái đất. Hoạt động địa chất suy giảm dần đến tắt hẳn khi nào hành tinh hay vệ tinh mất nội nhiệt. Kích thước là yếu tố xác định tốc độ của quá trình này. Vật thể cùng thể tích có diện tích bề mặt lớn hơn sẽ lạnh đi nhanh hơn. Vì sao Thủy chỉ bằng một rưỡi Mặt trăng, lịch sử địa chất có thể tương tự. Mariner đặt ra câu hỏi này khi nó chuyển về các bức ảnh của vùng đồng bằng rộng lớn giống như núi lửa. Nhưng cũng khó nói được điều gì. Từ xa, bình nguyên Cayley trên Mặt trăng cũng giống như vậy, trông giống như một bình nguyên núi lửa rộng lớn – nhưng khi các nhà du hành Apollo 16 đáp xuống, tất cả những thứ mà họ tìm thấy là các mảnh vỡ được bắn ra từ một lòng chảo va chạm.

Hình 3

Chúng ta không nghĩ là MESSENGER có thể giải quyết được câu hỏi này một cách nhanh chóng như vậy. Nó đã nhìn ra bằng chứng rõ ràng về dung nham có màu sắc và thành phần khác nhau, cũng như sự phun trào đá trầm tích trong quá khứ giống như ở núi St. Helens.  Tăng cường sự biến đổi màu sắc bằng máy tính trưng ra những mối liên hệ này. Vật chất mịn có màu sắc phân biệt lấp đầy các vùng trũng bên trong miệng núi lửa. Núi lửa nhỏ hơn, trẻ hơn đã khai quật vật chất đa màu từ nhiều độ sâu trong lớp vỏ. Những bức ảnh này gợi ý rằng vài km trên cùng của lớp vỏ sao Thủy chứa các lớp khoáng sản núi lửa.

Truy tìm ranh giới của vùng đất tương tự giữa địa hình và màu sắc, các nhà khoa học của dự án đã tạo nên bản đồ địa chất sao Thủy mới đầu tiên từ MESSENGER (hình 3). Khoảng 40% bề mặt – bao gồm cả vùng bên trong lòng chảo va chạm rộng lớn Caloris (1, hình 3) – là các bình nguyên phẳng, nhiều bình nguyên có thể là núi lửa (màu nâu trên bản đồ). Các vùng xám giữa các bình nguyên bằng phẳng bị lỗ chỗ nhiều hơn và có thể già hơn (2, hình 3). Một sự khác biệt đáng chú ý giữa Mặt trăng và sao Hỏa là cách thức phân bố của các bình nguyên bằng phẳng. Ở Mặt trăng, chúng tập trung ở phần gần phía đối diện với Trái đất; còn Sao Hỏa, chúng chủ yếu nằm ở phía Bắc bán cầu và trên cao nguyên núi lửa. Còn ở sao Thủy, chúng có thể được tìm thấy trên tất cả các vùng của hành tinh. Bình nguyên trẻ nhất có lẻ chỉ khoảng 1 tỷ năm tuổi, tương đối trẻ theo tiêu chuẩn Mặt trăng và sao Hỏa.

Các nhà khoa học tiếp tục đau đầu đối với các vùng có màu hơi xanh bao phủ 15% bề mặt, ví dụ như lưu vực Tolstoj (3, hình 3). Có thể trên đó có sắt và titan chứa oxit mà các va chạm đã đào chúng lên từ hố sâu hoặc chúng cũng có thể là vật chất núi lửa rất xa xưa nhô lên trên dòng dung nham trẻ có màu nhạt hơn.

Các bức ảnh mà MESSENGER chụp từ quỹ đạo sẽ có độ phân giải gấp 3 lần hoặc lớn hơn những ảnh chụp khi bay ngang, và những dụng cụ chỉ có thời gian ngắn để hoạt động trong khi bay ngang cuối cùng cũng có dịp gửi về những dữ liệu có chất lượng tốt nhất. Ví dụ như quang phổ kế  tia gamma và quang phổ kế neutron sẽ nối tiếp khám phá được thực hiện vào những năm 1990 từ các trạm quan sát rada ở mặt đất: các vùng cực có chứa vật chất phản chiếu rada tốt có thể là nước đá (4, hình 3). Đá có vẻ là thứ cuối cùng mà bạn mong tìm thấy trên một hành tinh cực kỳ nóng, nhưng những vùng bóng tối vĩnh viễn gần các cực có thể đủ lạnh để hấp thụ bất kỳ làn hơi nước nào sản sinh từ sự va chạm của các sao chổi hoặc thiên thạch nhiều nước.

PHẦN BÊN TRONG VÀ QUYỂN TỪ

Bí ẩn từ trường
Bằng cách theo dõi quỹ đạo của Mariner 10, các nhà khoa học đã đo được trường hấp dẫn của sao Thủy và trau chuốt ước lượng mật độ. Giá trị này cao một cách kì lạ, khoảng chừng 5.3 gram trên mỗi cm3, trong khi đó ở Trái đất là 4.4, ở Mặt trăng là 3.3 và ở các khối đá trung bình là 3. Tất cả những giá trị đó đều đúng đối với hiện tượng tự nén gây ra bởi trọng lực, và nhờ đó mà chúng ta có thể so sánh những tính chất vật chất bên trong. Bên dưới bề mặt đá của sao Thủy phải có một lõi dày đặc với thành phần chủ yếu là sắt. Trái đất cũng có một lõi giàu sắt, nhưng trong mối tương quan với khối lượng hành tinh, tỉ lệ này ở sao Thủy lớn gấp đôi. Có thể sao Thủy đã từng có một lớp đá dày hơn và vụ va chạm đã đào nó lên hoặc có lẽ nguồn vật chất mà tạo thành sao Thủy có rất nhiều sắt bởi vì nằm quá gần với Mặt trời.

Hình 4

Hình 5

Lõi lớn của sao Kim chắc chắn có mối quan hệ đến một trong những khám phá đáng kinh ngạc của Mariner 10: từ trường toàn cục. Từ trường này chủ yếu là lưỡng cực giống như một thanh nam châm. Mặc dù từ trường nằm trên bề mặt chỉ mạnh bằng khoảng chừng 1% ở Trái đất, đáng chú ý là sao Thủy có một trường lưỡng cực ở mọi nơi. Không một thiên thể có bề mặt rắn nào khác trong hệ Mặt trời có đặc tính này ngoài Trái đất và vệ tinh Ganymede của sao Mộc. 

Từ trường Trái đất được sinh ra do sắt nóng chảy quay trong lớp lõi ngoài, tạo thành một “máy phát điện hành tinh”. Từ trường của sao Thủy cũng như sự tinh vi trong việc thay đổi tốc độ quay của mỗi vòng quay quanh Mặt trời cho biết rằng lõi ngoài chưa hoàn toàn biến thành chất rắn, mặc dù kích thước của sao Thủy đề xuất điều ngược lại. Sao Thủy dường như né tránh số phận như sao Hỏa, sao Hỏa cũng đã từng có từ trường toàn cục trong thời gian đầu nhưng sau đó biến mất. Tìm hiểu tại sao việc này xảy ra là một mục tiêu chính của MESSENGER.

Ngoại trừ cho biết những gì xảy ra bên trong các hành tinh, từ trường tạo ra vài hiện tượng vật lý plasma khác lạ xung quanh sao Thủy. Từ trường ấy làm chệch hướng gió Mặt trời, là dòng hạt mang điện bắt nguồn từ Mặt trời, và tạo nên một thể tích xung quanh các hành tinh chiếm ưu thế bởi từ trường của sao Thủy hơn là từ trường giữa các hành tinh mang lại bởi gió. Mariner 10 đã phát hiện ra chớp các hạt năng lượng tương tự như cực quang sáng chói của Trái đất.

MESSENGER nhận ra rằng quyển từ luôn thay đổi. Tại thời điểm bay ngang qua đầu tiên, từ trường liên hành tinh hướng về phía Bắc sao cho nó thẳng hàng với từ trường xích đạo của hành tinh (1, hình 4). Quyển từ lúc này lặng im. Ở lần bay ngang thứ hai của MESSENGER, từ trường liên hành tinh lại chỉ về hướng Nam, đối nghịch với hướng từ trường của sao Thủy tại xích đạo. Từ trường thẳng hàng đối nghịch hướng có thể ghép cùng nhau trong một hiện tượng được biết đến là sự tái kết nối (2, hình 4), giải phóng một lượng năng lượng lớn và đem plasma từ vùng này vào vùng khác. Trong trường hợp này, đẩy luôn plasma gió Mặt trời vào trong quyển từ của sao Thủy. MESSENGER đo được tốc độ tái kết nối từ tính mạnh gấp 10 lần so với ở gần Trái đất. Vào lần bay ngang thứ ba, các quan sát đề xuất rằng những đường sức hành tinh đã bị làm méo đi nhiều, lần lượt kết hợp toàn bộ với gió Mặt trời (3 hình 4), và 5 phút sau đó liên kết giữa bán cầu Bắc và Nam được lặp lại bình thường. Dưới tác động của lượng động năng lớn đó, kim la bàn sẽ khó được sử dụng để điều chỉnh hướng trên bề mặt do nó sẽ đảo ngược hướng trong mỗi phút. Quyển từ của sao Thủy có khả năng làm điều gì khác nữa?

VÙNG KHÍ QUYỂN BÊN NGOÀI

Chuyển động chậm của ánh sáng nhấp nháy
Sao Thủy không có bầu khí quyển truyền thống, nghĩa là một lớp phủ dày đặc không khí, nhưng nó có vùng khí quyển ngoài cùng: một bầu “khí quyển” loãng đến mức các nguyên tử có thể nhảy vụt sang bề mặt bên kia giống như những trái bi-a mà không va chạm với trái khác. Những nguyên tử từ bề mặt lên đây qua vài quá trình. Ánh sáng Mặt trời loại chúng ra khỏi tinh thể khoáng và làm bay hơi nguyên tố dễ bay hơi như natri; các ion từ gió Mặt trời bắn phá tinh thể khoáng và giải phóng nguyên tử; các cơn mưa bụi vũ trụ liên tục làm bốc hơi vật chất bề mặt. Các quá trình này bao gồm ánh sáng Mặt trời có năng lượng khá thấp và những nguyên tử mà chúng giải phóng thường thường rớt trở lại bề mặt (4, hình 5). Sự bắn phá gây ra bởi gió Mặt trời và bụi vũ trụ càng mạnh hơn và các nguyên tử tống ra từ các quá trình này ở lại không khí còn lâu hơn (5, hình 5). Vài chất, đặc biệt là natri, có thể hình thành các chùm giống như sao chổi khi bức xạ Mặt trời đẩy chúng ra xa khỏi Mặt trời và hành tinh (6, hình 5).

Hình 6

Bằng sự kết hợp thú vị của các hiệu ứng, vùng khí quyển ngoài nhấp nháy hai lần trong mỗi quỹ đạo sao Thủy. Đó là do các nguyên tố cấu thành khí quyển ngoài hấp thụ ánh sáng ở một bước sóng này rồi sau đó giải phóng lại năng lượng cũng ở cùng bước sóng đó. Các nguyên tố này cũng xuất hiện ở lớp ngoài của Mặt trời nhưng chúng hấp thụ bước sóng kích thích sự phát sóng ở khí quyển ngoài. Nhưng đôi khi ánh sáng Mặt trời cần đi đến sao Thủy, do quỹ đạo hành tinh có độ elip lớn, khi hành tinh tăng tốc ra xa hoặc tiến gần tới Mặt trời, hiệu ứng Doppler dịch chuyển phổ Mặt trời làm nhiều ánh sáng ở bước sóng cần thiết đi tới được bầu khí quyển ngoài và làm nó bừng sáng hơn. Do đó, khi sao Thủy ở điểm gần nhất hoặc xa nhất so với Mặt trời, rất khó nhìn thấy vùng khí quyển ngoài (7, hình 6). Còn ở các các điểm giữa trên quỹ đạo thì nó sáng hơn (8, hình 6).

Qua năm tới đây, MESSENGER sẽ theo dõi bầu khí quyển ngoài phát triển như thế nào theo chu kỳ quỹ đạo. Nếu như kinh nghiệm quá khứ đưa ra sự chỉ dẫn nào, sao Thủy sẽ trình làng các hiện tượng mới mà người ta vẫn phải còn tưởng tượng.  

Hùng Vinh  dịch