Hành trình phát triển công nghệ vệ tinh. (Phần 7): Hành trình rực lửa

Trong số trước, chúng ta đã cùng vén màn những bí ẩn về vệ tinh tự nhiên gần Trái đất - Mặt trăng và hành tinh gần chúng ta nhất - sao Kim qua các sứ mệnh do thám như Luna, Venera, và Mariner. Khi nghiên cứu một hành tinh, ngoài ảnh chụp bề mặt thì nhiệt độ, thành phần cấu thành khí quyển, từ trường,… đều là những khía cạnh được các nhà khoa học quan tâm sâu sắc. Ở số này, chúng ta cùng tìm hiểu nhiều hơn về vùng không gian nóng bỏng quanh Mặt trời và cũng đồng thời có một cái nhìn chân thật nhất về sao Thủy - hành tinh nhỏ nhất cũng như là gần Mặt trời nhất này.

Bruce C. Murray (bìa phải) và các cộng sự bên chiếc máy dò mà họ sử dụng để lập bản đồ phân bố nhiệt của sao Kim vào năm 1962. Nguồn ảnh: caltech.edu.

Chuyến bay nóng bỏng đến sao Thủy

Hành tinh nhỏ bé này quay quanh Mặt trời ở khoảng cách chỉ bằng khoảng ⅓ từ Mặt trời đến Trái đất (khoảng 65 triệu km so với 149 triệu km). Bởi vậy, sao Thủy gần như luôn bị chi phối và lấn át bởi bởi ánh Mặt trời. Lực hấp dẫn của Mặt trời khóa chặt một mặt của hành tinh, luôn luôn hướng vào trong, tương tự như lực thủy triều giữa Trái đất và Mặt trăng, đó là lý do chúng ta luôn thấy một mặt của trăng khi nhìn từ Trái đất. Sao Thủy chỉ chớp nhoáng xuất hiện và buổi bình minh hay hoàng hôn như một chấm nhỏ mọc cùng ánh dương và vô cùng mờ nhạt. Bởi vậy, chặng đường đến khám phá nơi đây cũng yêu cầu những thiết bị đặc biệt và chuyên dụng để đối diện với  “cái nắng đổ lửa” theo đúng nghĩa đen.

Hệ thống điều khiển và che chắn tinh vi

Mariner 10 (Người thủy thủ thế hệ thứ 10), do Bruce C. Murray chỉ đạo, đã chọn lọc kỹ lưỡng, chỉ mang theo bảy thiết bị trong số 46 đề cử để ghé thăm sao Kim, từ đó, mượn lực hấp dẫn của hành tinh này rồi bay đến sao Thủy trong hành trình dài hơn một năm. Nhờ tận dụng áp suất từ những luồng gió vật chất mạnh mẽ từ Mặt trời (chứa các điện tích và hạt alpha) sinh ra nhờ những tương tác giữa các đường sức từ trường, quá trình phản ứng nhiệt hạch với sự quay vi sai để định hướng, tàu Mariner 10 đã mang thành công những thiết bị nghiên cứu tiên tiến đến sao Thủy từ cuối tháng 3/1974.

Thân tàu được bảo vệ khỏi cái nóng bằng chăn nhiệt và tấm che nắng bằng vải beta. Đây là sự kết hợp của Kapton được bọc nhôm – một loại vật liệu tổng hợp ổn định ở khoảng -269 đến 400oC (bọc nhôm giúp tăng khả năng chịu nhiệt) – và các tấm sợi thủy tinh được xử lý bằng Teflon – một polime bền giúp chống lại những phản ứng hóa học ở điều kiện khắc nghiệt.

Để có thể sử dụng các công cụ khoa học, Mariner phải trang bị một hệ thống phụ điều khiển tư thế xoay vô cùng phức tạp. Hệ thống điều hướng, bao gồm tên lửa hydrazine (N2H4), sẽ giữ cho Mariner 10 nằm đúng vị trí trên đường tới sao Kim và sao Thủy. Mariner 10 xác định tư thế của nó bằng cách sử dụng hai cảm biến quang học, một cảm biến hướng vào Mặt trời, và một cảm biến khác hướng vào một ngôi sao sáng, thường là Canopus (ngôi sao sáng thứ nhì trên bầu trời đêm). Ngoài ra, ba con quay hồi chuyển của tàu thăm dò cung cấp một lựa chọn thứ hai để tính toán tư thế.

Gắn liền với công cuộc khám phá Mặt trời phải kể đến những sứ mệnh lịch sử đầu tiên của Kẻ Tiên Phong (Pioneers). Ảnh: NASA.

Tàu Mariner 10 bay qua sao Thủy tổng cộng ba lần. Lần đầu tiên, các thiết bị dò ra một từ trường. Lần tiếp cận thứ hai chủ yếu được sử dụng để chụp ảnh. Các bức ảnh chụp đầu tiên cho thấy một bề mặt giống Mặt trăng với những hố va chạm, những sống núi và địa hình hỗn loạn. Ở lần thứ ba, dữ liệu từ trường mở rộng đã được thu nhận. Dữ liệu tiết lộ rằng từ trường của hành tinh giống như của Trái đất, làm lệch hướng gió Mặt trời xung quanh hành tinh. Lần đầu tiên là ngày 29/3, ở độ cao hơn 700 km. Đáng tiếc thay, lần thứ hai và ba tàu tiếp cận thì sao Thủy lại quay đúng phía đã chụp trước đó. Chính vì vậy bản đồ bề mặt mà Mariner cung cấp vẫn còn đến hơn một nửa diện tích để trống.

Bức xạ kế hồng ngoại được gắn cố định vào thân tàu ở phía có ánh sáng Mặt trời, ghi nhận nhiệt độ vào ban đêm là âm 183 và ban ngày là 187oC, cho thấy sao Thủy là hành tinh có sự chênh lệch nhiệt độ ngày đêm lớn nhất. Lý do là bởi nó không có khí quyển nên sự hấp thu và bức xạ nhiệt diễn ra với tốc độ lớn. Thêm vào đó, chu kỳ tự quay lớn, lên tới 58.6 ngày cũng cho phép phía ban đêm có thêm thời gian để tỏa nhiệt. Phép đo sự hấp thụ và mất nhiệt trên các vùng tiếp giáp ngày-đêm có thể cung cấp bằng chứng gián tiếp về bản chất của vật liệu bề mặt: chẳng hạn như đó là cát, sỏi hay đá. 

Ở khoảng cách gần nhất (703 km) về phía mặt tối của hành tinh, vệ tinh thực hiện thí nghiệm sự che khuất thiên thể (ở đây là Mặt trời) bằng một trong hai quang phổ kế ở vùng tia cực tím (phổ kế còn lại được thiết kế để phát hiện khí huy – sự phát xạ mờ của khí quyển hành tinh). Khi ánh sáng từ Mặt trời đi qua khí quyển của một thiên thể, sẽ có sự hấp thụ và tán xạ gây ra bởi các phân tử khí. Bằng tỉ lệ của cường độ ánh sáng thu được khi ánh sáng đến cảm biến vệ tinh bị chắn bởi khí quyển sao Thủy với cường độ ở môi trường chân không, các phép đo về bầu khí quyển, tầng điện li, và bán kính của hành tinh có thể được thực hiện. Việc này là không thể khi Mariner bay ngang sao Kim, vì quỹ đạo bay của tàu không cho phép nó ở vị trí bị che khuất. Về phía sao Thủy, số liệu từ thí nghiệm cho thấy nó không có một khí quyển “thực sự”. Với khối lượng tương đối nhỏ và khoảng cách rất gần ngôi sao chủ, hành tinh này không có khí quyển như Trái đất hay sao Kim, bởi nó không đủ lực hấp dẫn để giữ các phân tử khí được gia tốc bởi năng lượng Mặt trời. Trái lại, Mariner chỉ phát hiện một lớp khí mỏng, chủ yếu là Heli.

Từ kế của Mariner 10 phát hiện ra một từ trường yếu. Trên lý thuyết, từ trường được sinh ra nếu hành tinh có lõi sắt và tự quay đủ nhanh, nhưng chu kỳ của sao Thủy là 59 ngày, và đường kính chỉ bằng ⅓ của Trái đất (tức là lõi sắt đã nguội đi từ lâu). Giáo sư Christopher Russell tại trường Đại học California bày tỏ sự bất ngờ của cộng đồng khoa học: “Chúng tôi đã tìm ra cách Trái đất hoạt động, và sao Thủy cũng là một hành tinh đất đá với lõi sắt, vì vậy chúng tôi cho rằng nó cũng vận hành tương tự”.

Tuy nhiên, do ngân sách của nhiệm vụ bị ràng buộc rất gắt gao, nhiệm vụ đầu tiên đến sao Kim vẫn thiếu biện pháp bảo vệ cuối cùng: một phi thuyền sinh đôi. Thông thường, các tàu thăm dò được phóng theo cặp hay thậm chí là một nhóm các tàu giống nhau, nhằm để dự phòng sự cố của những tàu còn lại. Nhưng với trường hợp của Mariner 10, do kinh phí eo hẹp, họ không thể phóng Mariner 10 và người em sinh đôi của nó cùng một lúc. NASA sẽ chỉ cho phép phóng phiên bản dự phòng nếu Mariner 10 được chẩn đoán bị lỗi nghiêm trọng và không thể khắc phục và cũng chỉ có thể thu xếp phóng trong khoảng thời gian hai tuần từ 3/11/1973 đến ngày  21/11/1973. Cuối cùng, người em sinh đôi của Mariner 10 không bao giờ được sử dụng. Còn Mariner 10 không còn gửi dữ liệu tới Trái đất kể từ tháng 3/1975, dù giờ đây phi thuyền này có lẽ vẫn đang quay quanh Mặt trời. 

Ngôi sao của chúng ta

Mặt trời từ lâu được xem như là cội nguồn của sự sống ở nhiều nền văn minh khác nhau và là đối tượng thiên văn cực kỳ lý thú đối với các nhà khoa học từ thời tiền sử. Tuy vậy, Mặt trời luôn sáng lóa và khó quan sát hơn nhiều so với các thiên thể khác, mãi cho đến thời kỳ cận đại, chúng mới có những lý thuyết nền tảng ban đầu. Những nghiên cứu đầu tiên về Mặt trời có từ thế kỷ XV, nhà vật lý thiên văn Giovanni Cassini cùng cộng sự Jean Richer cố gắng tính khoảng cách từ Mặt trời đến Trái đất thông qua quỹ đạo các hành tinh, và rồi khi ngài Isaac Newton lần đầu tìm ra quang phổ liên tục của Mặt trời thông qua lăng kính, mở ra cho chúng ta thêm một góc nhìn hoàn toàn mới mẻ. Vào thế kỷ XX, ngành vật lý bùng nổ dưới sự đóng góp hàng thế hệ các nhà khoa học lần lượt như Ernest Rutherford, Albert Einstein trong lý thuyết năng lượng… và sau đó là  Subrahmanyan Chandrasekhar và Hans Bethe trong việc giải thích phản ứng nhiệt hạch của Mặt trời. Đây là tiền đề quan trọng cho các kỹ sư thiết kế nên những tàu phục vụ cho mục đích thám hiểm không gian khác lạ, ly kỳ và nóng bỏng, một cầu plasma khổng lồ liên tục phun trào qua phản ứng nhiệt hạch mạnh mẽ giữa không trung.

Module chỉ huy của Skylab 2 tại bảo tàng Smithsonian. 

Đến những năm 60, khi công nghệ tên lửa đẩy, công nghệ tinh vệ tinh và tàu do thám đã đến lúc chín muồi, chúng ta mới có cơ hội nhìn cận cảnh hơn thiên thể này. Gắn liền với công cuộc khám phá Mặt trời phải kể đến những sứ mệnh lịch sử đầu tiên của Kẻ Tiên phong (Pioneers) 6, 7, 8 và 9. Khác với cách tiếp cận của Marine 10, những “Kẻ tiên phong” chọn con đường dễ hơn bằng cách quay quanh Mặt trời ở khoảng cách xấp xỉ từ Trái đất thay vì đến quá gần.

Được phóng bằng thế hệ tên lửa Atlas nổi tiếng trong khoảng gian 1965 đến 1969, giữa cao trào cuộc đua không gian giữa Mỹ và Liên Xô, với mục tiêu sơ khởi là nhắm đến các đối tượng ở vòng trong Trái đất (tức là Mặt trời và những hành tinh có quỹ đạo gần Mặt trời hơn), những vệ tinh quay quanh Mặt trời mang theo những bị tiên tiến như hệ thống xoay, tấm pin mặt trời và đặc biệt có pin lưu trữ để liên tục truyền dữ liệu vô tuyến về Trái đất. 

Tấm pin mặt trời gắn trên thân có thể cung cấp lên 79 watt. Thân hình trụ tròn chứa sáu thiết bị, bao gồm một máy phân tích plasma và máy dò tia vũ trụ. Các tàu đều được thiết kế để giống hệt nhau, với khối lượng khoảng 146kg và liên tục tự quay để giữ thăng bằng khoảng 60 lần mỗi phút, trục quay vuông góc với mặt phẳng hoàng đạo. Nghiên cứu không chỉ gói gọn ở Mặt trời mà cả môi trường không gian liên hành tinh và nhiều mục đích khoa học khác. 

Thực ra ban đầu, các tàu được đặt tên lần lượt là A, B, C, D và E (tổng cộng có 5 tàu). Sau này mới đổi tên thành số (chỉ còn lại bốn tàu), bởi vì trong lần phóng cuối cùng vào tháng 8/1969, tên lửa mang the Pioneer E phát nổ do gặp sự cố rò rỉ khi chưa kịp tiếp cận quỹ đạo.

Tính đến năm 1996, Pioneer 6 là vệ tinh hoạt động lâu đời nhất của NASA, đã ở trên quỹ đạo hơn 30 năm. Đây là kỷ lục chưa từng có, hoạt động liên tục lên tới 12,758 ngày theo khẳng định của NASA cho tới tận năm 2007, trước khi bị Voyager 1 và 2 phá vỡ vào năm 2012 – hai phi thuyền được phóng vào năm 1977 để khám phá những hành tinh chưa từng được “vật thể” nào từ Trái đất đến thăm).

Pioneer 6, 9 hiện nay vẫn nằm ở vùng không gian gần Trái đất, quỹ đạo quay khoảng 0,8 AU, trong khi đó Pioneer 7, 8 lại nằm xa hơn, ở khoảng cách 1,1 AU. Astronomical Unit (AU) hay Đơn vị Thiên văn là một đơn vị được chuẩn hóa, 1 AU bằng đúng với khoảng cách trung bình từ Trái đất đến Mặt trời. 

Ngoài Pioneer, còn phải kể đến, hai tàu song sinh Helios 1 và 2 được phóng vào những năm 1970 đến quay quanh sao Thủy, cung cấp cho các nhà khoa học dữ liệu giá trị quan trọng, đối chiếu với dữ liệu của Pioneers và mô-đun trạm thiên văn không gian như Skylab Apollo Telescope Mount. Đây là kết quả của sự hợp tác giữa Mỹ và Đức, nghiên cứu về gió mặt trời và vành nhật hoa ở khoảng cách còn gần hơn cả quỹ đạo sao Thủy. Để đạt được điều trên, tàu quay quanh Mặt trời trên quỹ đạo ê-líp dẹt, với điểm nhật cận chỉ khoảng 0,29 AU. Cả hai tàu đều có khối lượng khoảng 370kg, và có kích thước 2,12 mét, tuy nhiên vào được quỹ đạo, tàu sẽ tự động triển khai (mở ra) ăng-ten viễn thông trên đầu tàu ra, nâng độ dài của tàu lên 4,2 mét. Các cảm biến và từ kế được gắn ở cả hai bên ở giữa thân được triển khai khi đạt được quỹ đạo, hai ăng ten linh hoạt được sử dụng để phát hiện sóng vô tuyến và truyền về Trái đất, kéo dài vuông góc với trục của tàu với chiều dài thiết kế là 16 mét. Hai tàu cũng tự quay với tốc độ 60 vòng mỗi phút, tương tự như Pioneer, việc tự quay này giúp cho tàu luôn chĩa được ăng-ten truyền tín hiệu kích thước lớn về Trái đất nhờ vào lực được gọi là “lực hồi chuyển”. Thân tàu và tấm pin Mặt trời đều được bọc gương, lên tới hơn 50% diện tích, để phản chiếu lại sức nóng dữ dội của Mặt trời và giữ cho tàu hoạt động ở nhiệt độ ổn định 165°C.

Trạm vũ trụ Skylab, được NASA phóng vào năm 1973, bao gồm một mô-đun đài quan sát năng lượng mặt trời được gọi là Skylab Apollo Telescope Mount được vận hành bởi các phi hành gia cư trú trên trạm. Skylab đã đồng thời thực hiện quan sát lần đầu tiên về vùng chuyển tiếp của mặt trời và sự phát xạ tia cực tím từ vành nhật hoa, từ đó phát hiện ra về sự phun trào vật chất ở vành nhật hoa (Coronal Mass Ejection), sau đó được gọi là “quá trình chuyển tiếp của vành”, và các chấm đen trên Mặt trời. Từ những dữ liệu quý giá này, các khoa học đã tìm ra liên hệ mật thiết với gió mặt trời và ảnh hưởng của nó lên môi trường không gian.

Hệ thống đo lường thời tiết không gian đầu tiên

Pioneers 6, 7, 8 và 9 được sinh ra để thực hiện các phép đo chi tiết, toàn diện đầu tiên về gió và từ trường Mặt trời, đồng thời nhận diện các tia vũ trụ từ bên ngoài không gian. Đây là những thiết bị trên không gian đầu tiên của loài người ngoài hoạt động như một mạng lưới quan trắc thời tiết của Hệ Mặt trời, cung cấp dữ liệu thực tiễn về các bão mặt trời ảnh hưởng đến thông tin liên lạc và an ninh năng lượng trên Trái đất. Chúng được thiết kế để đo các hiện tượng từ trường quy mô lớn và các hạt và trường trong không gian liên hành tinh. Những dữ liệu quý giá này đã làm sáng tỏ chu trình sao cũng như cấu trúc và dòng chảy của gió Mặt trời (solar wind). Ngoài ra, tàu còn thực hiện nhiều thí nghiệm nghiên cứu các ion dương (cation) và electron trong gió mặt trời, mật độ electron trong không gian liên hành tinh (thí nghiệm lan truyền vô tuyến), các tia vũ trụ mặt trời và thiên hà, và các mức từ trường.

Pioneer 9 vào đầu tháng 8/1972 đã ghi lại những quan sát quan trọng về một trong những cơn bão mặt trời mạnh nhất từng được ghi nhận, và nguy hiểm nhất đối với con người khi làm việc trên ở môi trường không gian như bên ngoài tàu vũ trụ đi trong Kỷ nguyên Không gian – khoảng thời gian kể từ năm 1957 trở đi. Ngày 20/3/1986, Pioneer 7 còn bay cách 12,3 triệu km so sao chổi Halley nổi danh và theo dõi sự tương tác giữa đuôi hydro của sao chổi với gió Mặt trời. Nó phát hiện ra vật chất trung hòa điện của sao chổi bị plasma hóa thành He+ bằng cách trao đổi điện tích của gió Mặt trời He++. Tháng 10/1997, Pioneer 6 kết hợp cùng  Đài thiên văn 70 mét Deep Space để quan trắc tia vũ trụ, người ta nhận thấy vào lúc hoạt động yếu nhất trong chu kỳ của Mặt trời cũng là lúc tia vũ trụ hoạt động mạnh nhất và ngược lại.

Các tàu thăm dò này mang lại những thu thập dữ liệu nhật ký và thời tiết vũ trụ quan trọng. Kết hợp dữ liệu cùng với các nguồn khác nhau, lần đầu tiên chúng ta có thể các quan sát từ trong không gian được kết hợp với các quan sát trên trạm vũ trụ, trên mặt đất và cả từ các kinh khí cầu. Với sự hợp tác từ các bên, từ đây nhân loại có được một cái nhìn đầy đủ và sâu sắc chưa từng có trong lịch sử về môi trường không gian biến động quanh Trái đất nói riêng và Hệ Mặt trời nói chung, đặt nền móng vững chãi hơn nữa cho những cuộc du hành vào sâu trong vũ trụ.□