Sống cùng một vì sao
(Phần 1)
Phóng lên quỹ đạo hồi tháng 2, dữliệu thu vềtừbộthiết bịnhạy gắn trên Đài
thiên vănĐộng lực học Mặt trời của NASA đã định hình lại cái chúng ta biết vềcác
quá trình mặt trời và nguyên nhân gây ra thời tiết vũtrụ.
Ảnh: NASA
Mặt trời của chúng ta trông xinh đẹp nhất tại thời khắc nguy hiểm nhất của
nó. Nét đẹpđó có thểnhìn thấy từtrên trái đấtnày ởdạng ánh sáng phương bắc
hoặc phương nam [cực quang], chúng xuất hiện khi các hạt tích điện từMặt trời
đến va chạm với tầng cao khí quyển củatrái đất. Nhưng trong không gian ngoài kia,
các hệquảcủa “thời tiết vũtrụ” do Mặt trời gây ra không ôn hòa nhưvậy: các hạt
năng lượng cao, tia X và tia gamma mà Mặt trời phát ra có thểgây hủy hoạiđối với
các thiết bị điện tửnhạy, làm hỏng các máy vi tính và có các tác động nguy hiểm
(có lẽkhó tránh khỏi) đối với các nhà du hành vũtrụ.
Trong đa phần thời gian, bầu khí quyển và từtrường của Trái đất bảo vệ
chúng ta khỏi những sựkiện dữdội hơn xảy ra trong khí quyển mặt trời, thí dụ
nhưcác vụnổ ở gần bềmặt thần thái dương (gọi là các tai lửa mặt trời) hay các
đợt phun trào của những bọt khí khổng lồtừbên trong Mặt trời (gọi là sựphun
trào vật chất vành nhật hoa, hay CME). Tuy vậy, khi các hạt tích điện từMặt trời
đến chạm trán với từtrường của Trái đất, thì từtrường Trái đất bịbiến dạng và bị
nén. Những sựthay đổi mậtđộ hạt tích điện trong tầng cao khí quyển có thểtạo ra
những hiệuứng nổi bật. Sựtruyền thông vô tuyến có thểbịgián đoạn và, thỉnh
thoảng, những sựthay đổi nhưvậy có thểcảmứng những dòng điện nguy hại
trong những đường dây truyền tảiđiệnđường xa, trong cáp điện chôn dướiđất, và
trong các đường ống dẫn dầu. Những tia lửa khổng lồcó thểphá hủy các máy biến
điện và làm tê liệt mạng lưới cấpđiện.
Nhưng giống nhưmàn trình diễncực quang, các quá trình mặt trời gây ra
thời tiết vũtrụcũng đẹp một cách ngoạn mục. Ảnh bên dưới cho thấy một tai lửa
hình vành phun lên từbềmặt Thái dương, gửi một xung plasma lao nhanh ra ngoài
ởtốcđộ khoảng 300 km/s. Trước khi phun trào, tai lửa này tồn tại dưới dạng một
ống dài chất liệu từtính, tương đối nguội, ởngay phía trên bềmặt khảkiến. Sau đó,
nó bịmấtổnđịnh bởi những cơchếchưađược hiểu rõ hoàn toàn. Những cơchế
nhưvậy là quan trọng vì chúng có thểtạo ra các CME, những vụphun trào có thể
phóng thích tới 10 tỉtấn plasma nóng vào trong nhật quyển – cùng với những hậu
quảnghiêm trọng cho bất kì vật nào, con người hay bất cứthứgì khác, nằm trên
đường đi của chúng.
Một trong những mục tiêu chính của sứmệnh Đài thiên vănĐộng lực học
Mặt trời (SDO) của NASA là tìm hiểu các cơchếmấtổnđịnh này. Để hiểu rõ thêm
vềchúng, và những hiện tượng do chúng tạo ra, chúng ta cần phải có thểquan sát
các sựkiện mặt trời khi chúng xảy ra. Điều này không dễdàng gì. Các tai lửa và
CME có thểxuất hiện bất kì nơiđâu, bất kì lúc nào, cho nên chúng ta cần một hệ
thống theo dõi có thểquan sát toàn bộbềmặt Thái dương một cách liên tục. Ngoài
ra, các vụnổmặt trời thường diễn ra nhanh chóng – tốcđộ 1000 km/s không phải
là hiếm – cho nên cácbứcảnh phải thu đượcởtốcđộ và thời gian phơi sáng có thể
thu lấy sựphát triển của những sựkiện phức tạp này. Việc gửi dữliệu từquá
nhiềuhình ảnh nhưvậy trởvềTrái đất và sau đó phân phốiđến cộng đồng khoa
học cũng gặp khó khăn. Cuối cùng, luôn có các trởngại thường gặpđi cùng với sự
làm việc trong không gian: bạn chỉphóng lên một lần, cho nên nếu thiết bịhoạt
động, thì bạn không thểsửa nó được; toàn bộthiết bịphải càng nhẹcàng tốt vì tiêu
tốnđến 200.000 bảng Anh cho mỗi kilogram thiết bịphóng lên; và các thiết bị
nhạy cùng máy vi tính phải có thểtrụvững với thời tiết vũtrụcựcđộ mà chúng
muốn nghiên cứu, không có sựbảo vệcủa từtrường Trái đất.
Hình 1. Các tai lửađang phun trào dữdội của Mặt trời có thểcó những hệ
quảthực sự đối với chúng ta trên Trái đất – từsựtruyền thông vô tuyến bịgián
đoạn cho đến các máy biếnđiện bịhỏng hóc.
Tất cảnhững yếu tốnày gây thách thức cho những người trong chúng tôi
phụtrách thiết kếcác thiết bịtrên SDO. Là sứmệnh đầu tiên trong chương trình
“Sống cùng một vì sao” của NASA, mụcđích của SDO là giúp chúng ta hiểu rõ hơn
các sựkiện mặt trời xảy ra nhưthếnào, thí dụnhưtai lửa hình vành ởHình 1, sự
tác động lên nhật quyển và, đặc biệt, chúng gây ra thời tiết vũtrụnhưthếnào.
Nhằm mục tiêu ấy, SDO đang được xây dựng trên những sứmệnh trướcđây như
SOHO và STEREO, tương ứng phóng lên quỹ đạo vào năm 1995 và 2006. Hai sứ
mệnh này vẫnđang hoạtđộng, bổsung thêm kiến thức của chúng ta vềcác sựkiện
mặt trời bằng cách thu thập thêm dữliệu vềvành nhật hoa phía ngoài và, trong
trường hợp STEREO, cung cấp thêm các góc nhìn của những vụphun trào mặt trời.
Tương tựnhưvậy, TRACE, phóng lên vào năm 1996 và đã ngừng hoạtđộng hồi
tháng 9, cung cấp các bứcảnh phân giải cao của những vùng chọn lọc của khí
quyển mặt trời.
Kết quảtừnhững sứmệnh có trước này mang lại một cái nhìn thoáng trêu
ngươi của cách thức Mặt trời hoạtđộng. Tuy nhiên, sứmệnh mới này sẽcho chúng
ta biết nhiều vềMặt trời hơn so với các tiền bối của nó. Toàn bộnhững ảnh chụp
trướcđây của nhật hoa đều chịu ba hạn chếlớn. Một là chúng không kết hợp sự
phân giải không gian cao với các quan sát bao quát toàn bộ đĩa Mặt trời. Thứhai,
các thiết bị đó không thểchụp quá nhiềuhình ảnh nhanh liên tiếp nhau (gọi là hoạt
động “cao phách”) do các hạn chếtốcđộ gửi dữliệu vềTrái đất. Và cuối cùng, vì
các thiết bịtrướcđây không thểchụp các bứcảnh trong một ngưỡng bước sóng
khác nhau, và ởtốcđộ có sánh với sựphát triển nhật hoa, cho nên không thểphân
biệt các sựkiện quan sát thấy là do sựnóng lên, nguộiđi, hay là do các thay đổi
mậtđộ.
Bộba giám sát mặt trời
SDO được phóng lên từTrung tâm VũtrụKennedy, vào hôm 11/02 và được
mang vào quỹ đạođịa tĩnh, cách bềmặt Trái đất 36.000 km, bởi tên lửa Atlas V. Ba
thiết bịgắn trên tàu được thiết kế để bổsung cho nhau. Máy ảnh Từvà Nhật quyển
(HMI), do các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Stanford và Phòng thí nghiệm
Thiên văn Vật lí VũtrụLockheed Martin (LMSAL) phát triển, sẽnghiên cứu hành vi
của từtrường ởbềmặt Thái dương. Để thực hiện nghiên cứu này, mỗi 30s HMI sẽ
lập bảnđồ dòng chảy vật chất trên bềmặt thái dương. Nó cũng lập bảnđồ từ
trường “theo hướng nhìn” trong mỗi 45s và bảnđồ vec-tơtừtrường trong mỗi 15
phút. Các bảnđồ dòng chảy mặt cho chúng ta suy luận ra một sốcái đang diễn ra
bên dưới bềmặt Thái dương, vì hình ảnh dòng chảy mặt có thểtiết lộhành trạng
của từtrường ngay trước khi chúng xuất hiệnởbán cầu nhìn thấy. Trong khi đó,
các bảnđồ vec-tơtừtrường, thểhiện hướng và độ lớn của từtrường ló ra từbề
mặt thái dương. Nhưvới các bảnđồ “theo hướng nhìn”, chúng cho ta biết từthông