Vào tháng 10 năm 2018, ESA đã phóng tàu vũ trụ BepiColombo đến hành tinh nhỏ nhất và trong cùng của Hệ Mặt Trời. Khoảng bảy năm nữa, nó sẽ bắt đầu nghiên cứu Sao Thủy một cách chi tiết tỉ mỉ trên toàn phổ điện từ.
“Một hành tinh đặc biệt của những điều bí ẩn và bất ngờ” – đây là cách mà nhà khoa học hành tinh châu Âu Johannes Benkhoff mô tả về Sao Thủy.
Theo Benkhoff, nhà khoa học dự án của sứ mệnh, các nhà nghiên cứu hành tinh kỳ vọng BepiColombo sẽ giải đáp được nhiều bí ẩn về Sao Thủy.
Ông nói, đó là một hành tinh, đó cũng là yếu tố then chốt để hiểu được sự hình thành của Hệ Mặt trời.
Hai tàu quỹ đạo đang trên đường tới hành tinh này: Tàu quỹ đạo từ quyển Sao Thủy (MMO) tương đối nhỏ của Nhật Bản và Tàu quỹ đạo Hành tinh Sao Thủy (MPO) nặng 4.100kg của ESA.
“Đó là một môi trường rất khắc nghiệt,” Benkhoff nói, đề cập đến khoảng cách của Sao Thủy với Mặt trời, dao động trong khoảng từ 46 đến 69 triệu km.
“Nhưng nếu chúng ta may mắn, thời hạn nhiệm vụ danh nghĩa một năm có thể kéo dài đến bốn năm.”
Mặc dù Sao Thủy gần Trái đất hơn nhiều so với Sao Thổ, nhưng thật khó để đến đó, về cơ bản là vì tốc độ quỹ đạo của hành tinh này cao hơn nhiều so với Trái đất.
Tàu thăm dò Sao Thủy đầu tiên, Mariner 10 của NASA, thậm chí còn không đi vào quỹ đạo.
Ra mắt vào năm 1973, nó đã thực hiện ba lần bay gần vào năm 1974 và 1975, trước khi kết thúc quỹ đạo quanh Mặt trời.
Mariner 10 đã lập bản đồ chỉ một nửa bề mặt hành tinh, cho thấy một cảnh quan có miệng núi lửa.
Nó cũng phát hiện ra một từ trường yếu: khá ngạc nhiên, vì không ai mong sao Thủy vẫn giữ được lõi nóng chảy.
Phải mất 30 năm trước khi một tàu thăm dò khác bắt đầu hành trình tới Sao Thủy.
Tàu vũ trụ MESSENGER của NASA được phóng vào tháng 8 năm 2004 và quay quanh thế giới cằn cỗi từ tháng 3 năm 2011 cho đến vụ tai nạn có chủ ý của nó vào tháng 4 năm 2015.
Từ quỹ đạo cực của nó, MESSENGER đã thu thập gần 290.000 hình ảnh và lập bản đồ địa hình của hành tinh.
Trong số những thứ khác, nó đã phát hiện ra các lớp băng lắng đọng dưới sàn của các miệng núi lửa vùng cực bị che khuất vĩnh viễn, các ‘hố rỗng’ bí ẩn bên dưới bề mặt, dấu hiệu của hoạt động núi lửa tương đối gần đây và sự dịch chuyển bí ẩn của từ trường 400 km về phía bắc so với trung tâm của hành tinh. .
Vậy còn gì để BepiColombo khám phá? Rất nhiều, cựu giám đốc dự án Jan van Casteren tại Trung tâm Công nghệ và Nghiên cứu Không gian Châu Âu (ESTEC) ở Noordwijk, Hà Lan cho biết.
Anh ấy nói, ban đầu, BepiColombo được lên kế hoạch đến trước, nhưng dự án đã bị trì hoãn do các vấn đề công nghệ, chi phí vượt mức và thiết kế lại.
“Tuy nhiên, vào năm 2009, Ủy ban Chương trình Khoa học của ESA đã quyết định thực hiện sứ mệnh này vì tiềm năng khoa học to lớn của nó.
BepiColombo là một sứ mệnh linh hoạt hơn nhiều so với MESSENGER vốn tương đối đơn giản.”
Trong giai đoạn hành trình kéo dài bảy năm, quỹ đạo mặt trời của BepiColombo sẽ dần dần được điều chỉnh bởi một lần bay ngang qua Trái đất, hai lần bay ngang qua Sao Kim và không ít hơn sáu lần bay ngang qua Sao Thủy.
Kỹ thuật ‘hỗ trợ trọng lực’ này do Mariner 10 tiên phong, được phát minh bởi nhà thiên văn học người Ý Giuseppi ‘Bepi’ Colombo, người đặt tên cho sứ mệnh này.
Động cơ ion đa năng của tàu sẽ thực hiện các hiệu chỉnh quỹ đạo bổ sung.
Cuối cùng, vào đầu tháng 12 năm 2025, BepiColombo sẽ đến quỹ đạo cực hình elip của nó.
Vài tháng sau, điểm thấp nhất của quỹ đạo được hạ xuống chỉ còn 250km và các hoạt động khoa học sẽ bắt đầu.
Tại Sao Thủy, một con tàu vũ trụ nhận được năng lượng mặt trời gấp khoảng 10 lần so với khi ở trên quỹ đạo Trái đất: khoảng 14.500 watt trên một mét vuông.
Hơn nữa, bề mặt của Sao Thủy rất nóng (430°C) đến mức quỹ đạo chính của BepiColombo cần được bảo vệ khỏi bức xạ hồng ngoại của hành tinh, vốn cung cấp nhiều năng lượng hơn: 5.500 watt trên một mét vuông.
Để đối phó với những điều kiện khắc nghiệt này, con tàu được bọc hoàn toàn trong những tấm chăn giữ nhiệt dày, nhiều lớp.
Một cỗ máy khổng lồ gồm các vây titan tráng bạc luôn hướng ra ngoài hành tinh để tỏa nhiệt dư thừa ra ngoài không gian.
Bạn có thể mong đợi rằng việc sử dụng các tấm pin mặt trời sẽ đơn giản khi bạn ở rất gần Mặt trời, nhưng bạn đã nhầm, như Markus Schelkle của Airbus Defense and Space ở Đức (nhà thầu chính của tàu vũ trụ) giải thích.
Ông nói: “Mảng năng lượng mặt trời phải được phát triển mới bằng các vật liệu mới.
“Rất khó để làm cho chúng chịu được cả nhiệt độ cao và bức xạ cực tím mạnh.”
Điều này cũng đúng với các mảng năng lượng mặt trời lớn trên mô-đun chuyển giao của BepiColombo, cung cấp năng lượng cho động cơ ion.
Schelkle nói: “Việc phát triển các mảng năng lượng mặt trời mất nhiều thời gian như phát triển toàn bộ tàu vũ trụ.
Khi MPO nghiên cứu cận cảnh hành tinh, MMO nhỏ hơn sẽ theo dõi gió mặt trời, từ trường của hành tinh và ‘tầng ngoài’ cực kỳ mong manh giàu natri.
Do gió mặt trời thổi mạnh, từ quyển của Sao Thủy đôi khi có thể bị đẩy ngược hoàn toàn lên bề mặt.
Kết quả là gió mặt trời tương tác trực tiếp với bề mặt, có thể giải phóng các nguyên tử natri trong quá trình này.
“Đó là một trong những câu hỏi mà chúng tôi muốn trả lời,” Hajime Hayakawa thuộc cơ quan vũ trụ Nhật Bản JAXA cho biết.
Một vấn đề lớn khác mà anh ấy hy vọng MMO sẽ giải quyết được là ‘sự dịch chuyển’ bí ẩn của lưỡng cực từ của Sao Thủy.
Trong khi đó, như nhà khoa học dự án Benkhoff kể lại, MPO sẽ lập bản đồ thành phần nguyên tố và hóa học trên bề mặt hành tinh, tìm kiếm những thay đổi hình thái trong ‘hốc’ bí ẩn dưới bề mặt (có thể là do mất chất bay hơi), hy vọng làm sáng tỏ nguồn gốc của các mỏ băng vùng cực và nghiên cứu lõi sắt-niken tương đối lớn của hành tinh.
“Ngoài ra,” Benkhoff nói, “Tỷ lệ kali/thori của sao Thủy cao hơn nhiều so với dự đoán của các mô hình hình thành hành tinh hiện tại.
Nhiệm vụ này có thể làm sáng tỏ nguồn gốc của Hệ Mặt Trời.”
Van Casteren tự tin rằng sứ mệnh trị giá 1,65 tỷ euro đầy tham vọng sẽ đáng giá từng xu.
“Những hình ảnh có độ phân giải cao nhất sẽ hiển thị các chi tiết nhỏ tới 5m,” anh nói, “và BepiColombo có một bộ 11 thí nghiệm khoa học ấn tượng.
Sẽ thật tuyệt nếu là người đầu tiên, nhưng về lâu dài, khoa học mới là điều quan trọng.”
Sao Thủy là hành tinh nhỏ nhất và trong cùng trong Hệ Mặt Trời.
Nghiên cứu nó từ Trái đất (hoặc với một thiết bị quay quanh Trái đất như Kính viễn vọng Không gian Hubble) rất khó, vì nó luôn xuất hiện gần Mặt trời trên bầu trời.
Vì sao Thủy quay quanh Mặt trời quá nhanh (trung bình 48km/s), một tàu vũ trụ được phóng từ Trái đất phải trải qua một sự thay đổi lớn về vận tốc để quay quanh hành tinh này.
Đó là một lý do tại sao cho đến nay có rất ít tàu thăm dò Sao Thủy.
Ánh sáng khả kiến, tia X và tia cực tím từ Mặt trời ở Sao Thủy mạnh hơn khoảng 10 lần so với ở Trái đất.
Gió mặt trời (các hạt tích điện từ Mặt trời) cũng giàu năng lượng hơn.
Đây là một lý do khác khiến Sao Thủy vẫn chưa được khám phá.
So với các hành tinh đất đá khác, Sao Thủy có lõi sắt-niken rất lớn. Không ai biết tại sao.
Có thể một tác động nguyên thủy khổng lồ đã thổi bay phần lớn lớp vỏ đá của nó.
Hoặc có thể các nhà khoa học cần điều chỉnh các lý thuyết thú vị của họ về sự hình thành của Hệ Mặt trời.
Tìm hiểu thêm về Sao Thủy và môi trường khắc nghiệt của nó cũng sẽ giúp hiểu được các ngoại hành tinh thuộc vùng có thể ở được, quay quanh quỹ đạo ở khoảng cách tương đương với các ngôi sao lùn mẹ của chúng.