Sống cùng một vì sao
(Phần 2)
Xửlí dữliệu
Yêu cầu tốcđộ ghi ảnh cao, độ phân giải không gian và độ bao quát phổrộng
chi phối thiết kếcủa cảba thiết bị, cũng nhưcác tính chất và quỹ đạo của phi
thuyền mang chúng. Quỹ đạođịa tĩnh củađài thiên văn trên, chẳng hạn, mang lại
hai lợi thếlớnđể nghiên cứu Mặt trời. Thứnhất, những quỹ đạo nhưvậyở đủ cao
phía trên trái đấtnên hành tinh chúng ta chỉchặn mất ánh sáng Mặt trời trong một
giờmỗi ngày – và thậm chí chỉtrong những khoảng thời gian hai ngày, hai tuần
mỗi năm, vào tháng 9 và tháng 3. Thứhai, quỹ đạođịa tĩnh có nghĩa là phi thuyền
SDO luôn luôn có độ cao không đổi, nên nó có thểtruyền dữliệu và nhận lệnh liên
tục từmột trạm mặtđấtởgần White Sands ởNew Mexico.
Việc liên lạc liên tục với trạm mặtđất là thiết yếuđối với SDO, nhờhoàn toàn
vào khối dữliệu mà nó tạo ra. Có tổng cộng sáu camera CCD trên SDO – hai trên
HMI và bốn trên AIA – và hầu nhưmỗi giây mộtbứcảnh 4096 × 4096 pixel
(16 megapixel) từmột trong sốchúng phảiđượcđọc ra và truyền vềtrái đất. Các
pixel trên thật sựlớn so với các chuẩn camera CCD thương mại (13 × 13 µm).
Vì sốphoton có thểphát hiện ra trong một lần phơi sáng tỉlệvới cỡpixel,
nên các CCD trên AIA có một ngưỡng động lớn – từ1đến 10.000. (Các camera
được thiết kếvà sản xuất bởi các nhà khoa học và kĩsưtại Phòng thí nghiệm
Rutherford Appleton ởgần Didcot, còn các máy dò CCD đặc biệtđược hãng e2v sản
xuất, hãng này cũng ởAnh quốc). Điều này thật tuyệt vời cho việc bao quát ngưỡng
rộng cường độ trong một tai lửa mặt trời, nhưng nó cũng có nghĩa là mỗiảnh chứa
một phần tưterabit dữliệu. Thật vậy, tổng lượng dữliệu gửi từAIA và HMI đến
trạm mặtđất New Mexico là khoảng 1,8 terabyte mỗi ngày, hay 67 megabit mỗi
giây. Để hình dung cỡdữliệu trên, bạn hãy xem mỗiảnh sẽchứađầy 6,25 đĩa DVD,
cho nên sẽmất khoảng 540.000 đĩa DVD để chứa toàn bộhình ảnh thu được trong
một ngày.
Tốcđộ dữliệu cao nhưvậy có sựtác động lớnđối với thiết kếcủa Trung tâm
Điều hành Khoa học cho HMI và AIA (EVE, với tốcđộ dữliệu nhỏhơn nhiều, có
trung tâm dữliệu riêng của nó), hệthống phân phối dữliệu và hệthống mà phần
còn lại của cộng đồng khoa học sửdụng để truy xuất dữliệu trên. Đặcđiểm vừa nói
tới này đặc biệt quan trọng, nếu bạn hỏi một nhà khoa học xem họmuốn thấy dữ
liệu gì, thì phảnứng đầu tiên của họluôn là “Tất cảchúng!” Thật không may, sự
thậtđáng sợlà mỗi khi các hình ảnh không bịnén, thì chỉriêng AIA đã tạo ra
khoảng 3,5 terabyte dữliệu mỗi ngày – tương đương với việc tải xuống khoảng
700.000 bài hát MP3 chất lượng cao.
Để tạođiều kiện thuận lợi cho các nhà khoa học nghiên cứu mặt trời, một số
tiện ích đã được phát triển cho phép họkhai thác kho dữliệu SDO góp phần cho
những mục tiêu khoa họcđặc biệt. Thí dụ, một sốcâu hỏi mà các nhà khoa học
đang nghiên cứu là các tai lửa có xuất hiện cùng với CME hay không, những loại tai
lửa nào xuất hiện cùng với những đặc trưng riêng biệt trong phổEVE, và có những
quan hệthống kê gì giữa sựphun trào vật chất dạng sợi tóc và các cấu hình từ
trường. Chúng tôi còn sáng tạo ra một trình xem dữliệu, cho phép các nhà khoa
học xem xét kho tài nguyên với dữliệu nén. Điều này làm giảmđáng kểsốlượng
dữliệu phải thu thập các phép đánh giá khoa học chính xác có thểbắtđầu. Các
công cụxửlí khác bao gồm một trang web “Sun Today” (sdowww.lmsal.com)
trưng bày các mẫuảnh AIA và từphổHMI, cập nhật mỗi 5 phút một lần, cùng các
phim quay hàng ngày của các sựkiện mặt trời.
Cái chúng tôi đang tìm hiểu
Hồi cuối tháng ba, chúng tôi đã mởkính thiên văn AIA lầnđầu tiên. Những
hình ảnh đầu tiên thậtđẹp. Tất cảcác bộlọc tinh vi phía trướcđều sống sót sau đợt
phóng tên lửa và tất cảcác thiết bị đều hoạtđộng tốt. Vài ngày sau khi chúng tôi
bắtđầu thu thập dữliệu, Mặt trờiđã tặng chúng tôi một tai lửa phun trào khổng lồ
ởphía đông của nó – một sựkhởiđầu tuyệt vời cho sứmệnh 5 năm theo kếhoạch
của chúng tôi.
Kểtừ đó, chúng tôi đã quan sát Mặt trời hầu nhưliên tục, với chỉvài gián
đoạn ngắn hạnđể điều chỉnh. Trong thời kì này, Mặt trờiđã trình hiện trước chúng
tôi một sốCME, các phun trào dạng sợi, những tai lửa nhỏvà thậm chí một vài tai
lửa trung bình lớn. Kết quảlà chúng tôi hiệnđang bắtđầuđánh giá xem bao nhiêu
phần Mặt trời bịtác động bởi sựsắp xếp lại từtính trong một vùng rất cục bộ. Thí
dụ, những khu vực không có các vếtđen có thểtạo ra các nhiễu loạn tác động đến
30-60% bềmặt nhìn thấy.
Các ảnh chụpởtốcđộ cao cũng hết sức phong phú. Lúc bắtđầy một hoạt
động dạng sợi hay CME, một sốchi tiết xuất hiệnởtốcđộ 100-600 km/s. Lúc khởi
phát của một tai lửa, thỉnh thoảng có các “luồng hơi” plasma chuyểnđộng ởtốcđộ
1000-2000 km/s. Khi thu lấy những sựkiện nhưvậy, một phần diện mạo khuếch
tán của chúng gây ra bởi vệt chuyểnđộng; một sựphơi sáng 3s tiêu biểu mà AIA
chụp lấy, chẳng hạn, làm nhòe ảnh của một cấu trúc 2000 km/s đi 4-8 pixel. Sự
phơi sáng 30s tiêu biểu của phi thuyền trướcđây gây ra sựnhòe ảnh nhiều gấp 5
lần hoặc hơn nữa và làm cho sựkiện xuất hiện yếuđi 25 lần – trên thực tế, yếuđến
mức sựkiện không thểnào phát hiện ra được. Chúng tôi cũng nhìn thấy các dạng
sóng chuyểnđộng cùng với các đường sức từ ở tốcđộ 1000-2000 km/s khi sựkiện
tai lửa phát triển. Những sóng lan nhanh này chưa bao giờ được trông thấy trước
đây và chúng tôi không biết cơchếnào tạo ra chúng hoặc vai trò của chúng trong
quá trình tai lửa.
Hình 3. Bảnđồ nhiệtđộ màu giảlập của bềmặt Mặt trời, tạo ra bằng cách kết
hợp nhiềuảnh bội mà AIA chụpđược. Trong ảnh phía bên trái, chụp hôm 16 tháng
9, ngưỡng nhiệtđộ từ1-2 triệu kelvin (xanh đếnđỏ). Ảnh phía bên phải chụp hầu
nhưngay lúc ấy, nhưng ở đây ngưỡng nhiệtđộ là 2-6 triệu kelvin. (Ảnh: NASA)
Mặc dù một sốdữliệu này được xửlí tốt hơn dưới dạng số, nhưng các ảnh
chụp nhiệtđộ bội mà AIA thực hiện cũng có thểkết hợpđể tạo ra một vài loại bản
đồ nhiệtđộ màu giảlập, giống nhưbảnđồ trên hình 3. Phim quay của những bản
đồ màu nhưvậy cho phép các nhà khoa học mặt trời nghiên cứu sựtiến triển nhiệt
độ khi Mặt trời im ắng, cũng nhưkhi nó hoạtđộng. Những đoạn phim này cung cấp
bức tranh trực quan của các mối tương quan giữa các sựkiện trên Mặt trờiởkhá
xa nhau. Trong hàng thập kỉ,đã có các tranh luận vềtai lửa hay sựphun trào dạng
sợi có thểgây ra những sựkiện xa xôi khác. Giờthì chỉsau vài tháng quan sát, các
đoạn phim AIA đã xác lập rõ ràng tính nhân quảtrên khoảng cách cỡ đường kính
một mặt trời hoặc lớn hơn. Mặc dù hiện tại chúng ta đang trải qua kì cực tiểu sâu
sắc nhất của hoạtđộng mặt trời trong hơn một thếkỉ, nhưng Mặt trời vẫn nói với
chúng ta rất nhiềuđiều.
Kính thiên văn AIA: thách thức bậc bốn
Đài thiên vănĐộng lực học Mặt trời của NASA mang theo ba thiết bị, một
trong sốchúng là BộGhi ảnh Khí quyển (AIA). Việc thiết kếbốn chiếc kính thiên
văn của nó mang lại trước mắt chúng ta bốn thách thức chính, khó khăn hàng đầu
là do bản thân ánh sáng mặt trời gây ra. Lượng ánh sáng đi tới một kênh tửngoại
cực ngắn (EUV) tiêu biểu yếu hơn một tỉlần so với ánh sáng mặt trời rơi lên phía
trước chiếc kính thiên văn. Để loại bỏánh sáng khảkiến, phía trước của mỗi kênh
EUV được tráng một lớp kim loại lọc chỉdày 150 nm, hoặc khoảng 0,2% đường
kính của một sợi tóc người – đủ dày để chặn ánh sáng khảkiến, nhưng đủ mỏng
cho ánh sáng EUV mong muốnđi qua.
Việc chếtạo những bộlọc nhưvậy thật sựkhó khăn, nhưng việc thiết kế
khung cho chúng còn khó hơn nữa. Những khung này phảiđủ cứng để sống sót qua
các dao động và biến thiên áp suất mà chúng chịu trong lúc phóng tên lửa, nhưng
chúng không thểchặn một phầnđáng kểánh sáng EUV. Hình ảnh bên dưới thể
hiện một trong nhiều bộlọcđã thất bại trong khi chúng tôi thửnghiệm các thiết kế
khác nhau để xác định xem mẫu nào sống sót trong môi trường phóng.
Ảnh: NASA
Thách thức thứhai là đảm bảo rằng ánh sáng EUV sẽbịphản xạkhỏi các
gương của kính thiên văn. Ánh sáng EUV không phản xạkhỏi một lớp bạc hay
nhôm theo yêu cầu của gương của kính thiên văn ánh sáng khảkiến, cho nên thay
vì thếchúng ta phải tráng gương bằng một loạt lớp chất silicon và molybdenum
mỏng xen kẽ. Những lớp tráng này không thểloại bỏ, cho nên sựtrục trặcởlớp
tráng sẽlàm hỏng cảcái gương. Các gương còn phải có hình dạng thích hợp, và vì