Hình minh họa của một nghệ sĩ về Tàu thăm dò Mặt trời Parker đang nghiên cứu Mặt trời. Tín dụng hình ảnh: NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben
Mặt trời là trái tim rung động của Hệ mặt trời của chúng ta. Lực hấp dẫn của nó điều khiển chuyển động của các hành tinh; sức nóng và ánh sáng của nó xác định khí hậu của chúng; và năng lượng của nó làm cho mọi sự sống trên Trái đất trở nên khả thi.
Nếu không có Mặt trời, Hệ Mặt trời sẽ không tồn tại. Tuy nhiên, chúng ta biết rất ít về ngôi sao của chính mình một cách đáng ngạc nhiên.
Rất ít trong số hàng trăm sứ mệnh không gian bay trong 60 năm qua đã được gửi về phía Mặt trời và một số ít đã thực hiện hành trình vào bên trong đã nhìn từ xa, cách xa sự hung dữ tồi tệ nhất của Mặt trời.
Tàu thăm dò Mặt trời Parker của NASA thì không như vậy, ra mắt vào cuối tháng 7 và là một trong nhiều nhiệm vụ dành riêng cho việc nghiên cứu Mặt trời.
Nhiệm vụ sẽ thực hiện một chuyến bổ nhào về phía Mặt trời, du hành xuyên qua vành nhật hoa, chỉ cách bề mặt ngôi sao của chúng ta 6,3 triệu km (4,5 lần đường kính Mặt trời), khoảng cách gần nhất mà bất kỳ tàu vũ trụ nào từng đến Mặt trời.
Nicola Fox, nhà khoa học dự án cho sứ mệnh Parker Solar Probe cho biết: “Lần đầu tiên chúng tôi thực sự lấy mẫu vật liệu vành nhật hoa. “Đó là một hành trình khám phá thực sự.”
Tuy nhiên, để đạt được điều đó sẽ không phải là một kỳ công dễ dàng.
Parker sẽ lao về phía Mặt trời với tốc độ 690.000 km/h, trở thành vật thể nhân tạo nhanh nhất từng được chế tạo, phá vỡ kỷ lục 145.000 km/h trước đó do Juno thiết lập.
Nhưng ngay cả điều đó cũng không đủ để đưa tàu thăm dò vào quỹ đạo quanh Mặt trời, vì vậy sứ mệnh sẽ phải thực hiện một (hoặc bảy) lần đẩy trên đường đi.
Fox giải thích: “Nhiệm vụ thăm dò năng lượng mặt trời Parker sẽ sử dụng Sao Kim để hỗ trợ trọng lực.
“Mỗi lần vượt qua sẽ giống như một lượt phanh tay trong ô tô, cho phép chúng tôi tập trung quỹ đạo gần Mặt trời hơn một chút mỗi lần.
Lần đầu tiên sẽ diễn ra sau sáu tuần kể từ khi phóng, với sáu lần bay tiếp theo trong vòng bảy năm.”
Nhiệm vụ ban đầu sẽ đi qua điểm cận nhật, cách tiếp cận gần Mặt trời nhất của nó, 24 lần.
Trong thời gian này, nó sẽ phải chịu đựng nhiệt độ lên tới 1.400°C.
Ở giữa, tàu vũ trụ sẽ quay trở lại quỹ đạo của Sao Kim, nơi nhiệt độ sẽ giảm xuống dưới mức đóng băng.
Fox nói: “Nếu bạn lấy bất kỳ vật liệu nào, nung nóng và làm nguội nó 24 lần, nó sẽ trở nên giòn hoặc đàn hồi.
“Việc tạo ra những vật liệu thực sự có thể chịu được những thay đổi nhiệt độ lớn này là một bước phát triển lớn.”
Nhiệt độ không phải là điều duy nhất sẽ cực đoan về môi trường này.
Tàu thăm dò có thể kết thúc ở giữa một trong những sự kiện năng lượng nhất của Mặt trời: một vết lóa mặt trời hoặc một vụ phóng vật chất vành nhật hoa.
Nhưng trong khi hầu hết các tàu thăm dò không gian phải né tránh những vụ nổ này, Parker sẽ dựa vào chúng.
Fox nói: “Mọi người hỏi liệu tôi có lo lắng rằng chúng tôi sẽ đến gần và bị một ngọn lửa mặt trời tấn công hay không, nhưng tôi thực sự lo lắng rằng chúng tôi sẽ thực sự đến gần và chúng tôi sẽ không bị trúng một ngọn lửa nào.
“Chúng tôi muốn thấy các vụ phun trào hàng loạt coronal.
Chúng tôi muốn xem tất cả các loại hoạt động của mặt trời từ yên tĩnh hơn yên tĩnh đến rất tích cực.”
Các thí nghiệm máy dò hạt của Parker – Điều tra Khoa học Tích hợp về Mặt trời (ISIS) và Alpha và Proton Electron của Gió Mặt trời (SWEAP) – sẽ có thể đo loại, năng lượng, tốc độ và nhiệt độ của các hạt khi chúng bị bắn ra bởi một ngọn lửa.
Sau đó, các nhà nghiên cứu trên Trái đất sẽ có thể so sánh những kết quả này với những gì các thiết bị nhìn thấy khi không có pháo sáng, mang lại cái nhìn sâu sắc độc đáo về các sự kiện mặt trời này.
Một video của NASA giải thích cách tàu thăm dò sẽ thực hiện hành trình tới Mặt trời. Tín dụng: Trung tâm bay không gian Goddard của NASA
Tàu thăm dò sẽ có cơ hội đầu tiên bắt được ngọn lửa trong hành động phun trào khi nó thực hiện chuyến đi đầu tiên qua điểm cận nhật khoảng ba tháng sau khi phóng.
Từ góc nhìn cận cảnh này, Parker sẽ bắt đầu thu thập dữ liệu giúp trả lời một số câu hỏi mà chúng ta vẫn còn thắc mắc về Mặt trời.
“Một trong những bí ẩn lớn là nhiệt độ trong vành nhật hoa nóng hơn khoảng 300 lần so với bề mặt Mặt trời. Điều đó chẳng có nghĩa lý gì: khi bạn bước ra khỏi lửa trại, bạn sẽ lạnh hơn chứ không nóng hơn, vậy chuyện gì đang xảy ra vậy?” cáo nói.
Một trong những giả thuyết phổ biến nhất về nguyên nhân gây ra điều này đã được đưa ra vào những năm 1970 bởi Eugene Parker, nhà khoa học năng lượng mặt trời, người đặt tên cho sứ mệnh.
Những gì chúng ta biết trên thực tế là khi nhiệt độ ở mức cao nhất, các hạt trong vành nhật hoa cũng được cung cấp năng lượng cho đến khi chúng có đủ tốc độ để tách khỏi bề mặt Mặt trời và tăng tốc vào không gian liên hành tinh.
Khi chúng kéo ra xa, một phần của từ trường mặt trời sẽ bị khí giữ lại và cuốn theo nó.
Đề xuất của Parker là các ngọn lửa nano – những ngọn lửa mặt trời nhỏ quá nhỏ để có thể nhìn thấy từ Trái đất – chuyển đổi năng lượng trong từ trường bị giữ lại thành nhiệt. Nhưng đây chỉ là một lý thuyết.
Fox nói: “Không một lý thuyết đơn lẻ nào có thể giải thích mọi thứ diễn ra xung quanh Mặt trời.
“Có rất nhiều ý tưởng cạnh tranh nhau và ý tưởng của Parker là ý tưởng mà nhiều người cho rằng có thể đúng.
Chúng tôi chắc chắn sẽ xem liệu chúng tôi có thể tìm thấy những ngọn lửa nano này hay không.”
Tàu thăm dò năng lượng mặt trời Parker sẽ cố gắng phát hiện ra những ngọn lửa nano này bằng cách lắng nghe tín hiệu vô tuyến của chúng bằng Thí nghiệm FIELDS.
Công cụ này cũng sẽ vạch ra một trong những cấu trúc lớn nhất trong Hệ Mặt trời: từ trường Mặt trời, kéo dài 14,5 tỷ km tính từ Mặt trời, hoặc gấp đôi khoảng cách đến Sao Diêm Vương.
Trường có ảnh hưởng sâu sắc đến các hành tinh và bầu khí quyển của chúng, nhưng chúng ta vẫn biết rất ít về cách nó được tạo ra.
Một trong những câu hỏi lớn nhất mà các nhà thiên văn học hy vọng có thể trả lời bằng cách sử dụng LĨNH VỰC là lý do chu kỳ 11 năm của Mặt Trời khiến các cực từ của Mặt Trời đổi chỗ cho nhau.
Khi Mặt trời lật giữa chừng, số lượng vết đen, vết lóa và các vụ phun trào khối vành nhật hoa tăng lên đáng kể.
Và khi những thứ này đến Trái đất, chúng tương tác với từ trường của chính chúng ta để tạo ra thứ có thể là những đợt bùng phát thời tiết không gian cực kỳ nghiêm trọng.
“Sự tương tác đó tạo ra cực quang, nhưng nó cũng có thể làm tê liệt các vệ tinh, ảnh hưởng đến lưới điện và can thiệp vào hệ thống GPS.
Parker sẽ cải thiện đáng kể kiến thức của chúng ta về vật lý cần thiết để dự đoán khi nào những sự kiện này sẽ xảy ra,” Fox nói.
Con đường tạo ra Tàu thăm dò Mặt trời Parker còn dài, nhưng sứ mệnh cuối cùng đã sẵn sàng để bắt đầu hành trình và khám phá những bí ẩn nằm ở trung tâm Hệ Mặt trời của chúng ta.
Parker sẽ đến gần Mặt trời hơn bất kỳ vật thể nhân tạo nào trước đó, nhưng làm thế nào để nó được an toàn?
Để tồn tại ở nhiệt độ lên tới 1.400ºC ở những khoảng cách gần với Mặt trời, Parker được trang bị Hệ thống Bảo vệ Nhiệt (TPS): tấm chắn nắng dày 12cm và đường kính hơn 2m.
Fox cho biết: “TPS được làm từ các tấm vật liệu carbon siêu mỏng giống như những gì được sử dụng trong gậy đánh gôn bằng than chì và vợt tennis.
“Sau đó, có bọt ở giữa. Cái này được phủ một lớp nhôm trắng, giống như gốm sứ.
Điều đó phản chiếu rất nhiều ánh sáng của Mặt trời và phần còn lại được hấp thụ và sử dụng để giữ ấm cho phần còn lại của tàu vũ trụ.
Nghe có vẻ mỉa mai, nhưng hầu như chúng ta quan tâm đến việc mọi thứ trở nên lạnh hơn là nóng lên.”
Phía sau tấm chắn Parker cần được làm nóng vì các thiết bị hoạt động tốt nhất ở nhiệt độ phòng.
Mặc dù trời có thể nóng như thiêu đốt dưới ánh nắng mặt trời, nhưng trời mát mẻ trong bóng râm và không có bầu không khí để di chuyển nhiệt xung quanh, nhiệt độ giảm đáng kể.
Việc duy trì sự cân bằng mong manh này đòi hỏi Parker phải căn chỉnh chính xác để các dụng cụ của nó luôn ở trong bóng tối.
Với độ trễ tám phút giữa Trái đất và Mặt trời, không có cách nào mà Parker có thể được điều khiển từ mặt đất.
Fox nói: “Cô ấy phải tự chăm sóc bản thân.
“Nếu một cảm biến ở dưới ánh sáng mặt trời khi nó không nên ở đó, thì Parker phải tìm ra động cơ đẩy nào mà nó cần kích hoạt để quay.
“Số lượng lớn công nghệ phải được phát triển là lý do tại sao Parker đã mất 60 năm để phát triển. Đó không phải là một môi trường dễ tha thứ mà chúng tôi sẽ đến.”