Mặc dù Mặt trời – ngôi sao ở trung tâm Hệ Mặt trời của chúng ta – tỏa sáng hơn mọi thứ khác, nhưng chính độ sáng của nó đã thách thức những nỗ lực để hiểu rõ hơn về nó.
Ánh sáng của nó làm mù bất kỳ ai nhìn vào nó, trong khi sức nóng của nó thiêu đốt những con tàu mạo hiểm đến quá gần.
Mặc dù vậy, các đài quan sát chuyên dụng đã cho phép các nhà thiên văn học quan sát hệ mặt trời từ xa trong nhiều năm qua.
Nhưng có hai kính thiên văn hiện đang cung cấp cho các nhà thiên văn cái nhìn cận cảnh về Mặt trời.
Vào ngày 26 tháng 3 năm 2022, tàu thăm dò quỹ đạo Mặt trời của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu đã đi qua Mặt trời theo cách tiếp cận gần nhất của nó, đến trong một phần ba khoảng cách Trái đất-Mặt trời tới ngôi sao của chúng ta.
Và vào năm 2021, người anh em quan sát của nó, Tàu thăm dò Mặt trời Parker của NASA, đã bay quá gần Mặt trời đến mức nó bay qua các lớp bên ngoài của bầu khí quyển, phát hiện ra các hạt nguyên sơ gần bề mặt mặt trời.
Nhưng mặc dù cặp đôi ở gần Mặt trời hơn bất kỳ nhiệm vụ nào khác, họ đang nhìn ngôi sao theo hai cách rất khác nhau.
Solar Orbiter và Parker Solar Probe so sánh như thế nào? sự khác biệt chính của họ là gì?
“Solar Orbiter là một sứ mệnh khám phá Mặt trời và nhật quyển xung quanh – bong bóng plasma lớn mà gió mặt trời thổi vào môi trường giữa các vì sao”, Daniel Müller, nhà khoa học dự án cho Solar Orbiter tại Cơ quan Vũ trụ Châu Âu cho biết.
“Cơ sở lý luận thúc đẩy cho Tàu quỹ đạo Mặt trời là thiết lập các mối liên hệ giữa những gì ngôi sao nhà của chúng ta thực hiện về mặt hoạt động và cách điều đó thể hiện trong nhật quyển xung quanh, bao gồm cả môi trường gần Trái đất.
“Chúng tôi kết hợp các phép đo plasma tại vị trí của tàu vũ trụ với hình ảnh của Mặt trời.”
Tàu quỹ đạo Mặt trời ra mắt vào ngày 10 tháng 2 năm 2020 và kể từ đó đã bay vòng quanh ngôi sao của chúng ta.
Nó dành phần lớn quỹ đạo của mình ở khoảng cách xa để bảo vệ bản thân khỏi sức nóng thiêu đốt, chỉ 5 đến 6 tháng sà xuống một lần để vượt qua gần được gọi là điểm cận nhật.
Sử dụng các chuyến bay ngang qua Trái đất và Sao Kim để kéo quỹ đạo của nó lại gần Mặt trời, giờ đây nó chỉ cách ngôi sao của chúng ta 48,3 triệu km.
Solar Orbiter có 10 thiết bị khoa học, bốn trong số đó nhìn thẳng vào Mặt trời.
Vào ngày 7 tháng 3 năm 2022, khi ở khoảng cách 75 triệu km, tàu vũ trụ đã sử dụng chúng để chụp ảnh Mặt trời gần nhất từ trước đến nay.
Nó quá gần, máy ảnh không thể đưa toàn bộ đĩa mặt trời vào khung và thay vào đó phải chụp một bức tranh ghép gồm 25 ảnh. Khi làm như vậy, nó đã tạo ra một cảnh quay lớn hơn 10 lần so với những gì có thể hiển thị trên màn hình TV 4K.
6 thiết bị còn lại là các thí nghiệm tại chỗ, đo lường môi trường tại vị trí của Solar Orbiter.
Một lĩnh vực cụ thể mà sứ mệnh đang chú ý là gió mặt trời, phát hiện ra các luồng hạt tích điện khi chúng phát ra từ Mặt trời.
Müller nói: “Gió mặt trời chủ yếu là hydro và heli, nhưng cũng có một số nguyên tố khác, và đó là những nguyên tố giúp chúng ta tạo ra mối liên hệ giữa gió mặt trời và nguồn gốc của nó”.
“Chúng tôi xác định vị trí của các ion như oxy và sắt trên Mặt trời, sau đó đánh hơi chúng trong gió mặt trời. Chúng tôi kết hợp các phép đo với các bức ảnh và kết nối cả hai, liên kết những gì bay qua tàu vũ trụ với những gì phun trào trên Mặt trời một ngày hoặc hai lần trước.”
Mặc dù nhiệm vụ của tàu vũ trụ và thời điểm nó sẽ đến gần Mặt trời đã được lên kế hoạch từ trước, nhưng trong những lần vượt qua đó, nó sẽ điều chỉnh trọng tâm của mình đến bất kỳ khu vực nào của Mặt trời hiện đang hoạt động.
Müller nói: “Vào tháng 3, chúng tôi đã có những khoảng thời gian thú vị khi có những đợt bùng phát lớn.
“Câu hỏi đặt ra là liệu chúng ta có thể chỉ ra vị trí của các tia sáng vừa rồi không, vì có khả năng cao là nó sẽ bùng phát trở lại. Hy vọng rằng Mặt trời sẽ hợp tác.”
Tuy nhiên, sẽ còn một thời gian nữa chúng ta mới biết được liệu Mặt trời có đang làm việc với nhóm Tàu quỹ đạo Mặt trời hay không, vì chuyến bay ngang qua đã tạo ra quá nhiều dữ liệu nên nó chỉ hoàn tất quá trình tải xuống vào tháng 5 năm 2022 và vẫn đang được xử lý.
Tàu vũ trụ sẽ tiếp tục bay vòng quanh Mặt trời, sử dụng các cuộc gặp gỡ tiếp theo với Sao Kim để thay đổi quỹ đạo của nó sao cho cuối cùng nó sẽ đến được bề mặt của Mặt trời trong vòng 0,28 AU (khoảng 42 triệu km).
Tuy nhiên, nó sẽ không nghỉ ngơi ở đó lâu vì tàu vũ trụ sau đó sẽ bước vào giai đoạn khoa học mới khi nó di chuyển quỹ đạo của nó ra khỏi đường hoàng đạo, cho phép nó có được cái nhìn rõ ràng hơn về các cực của Mặt trời – điều mà chưa tàu vũ trụ nào từng có được. đạt được trước đây.
Lần vượt cực đầu tiên dự kiến vào tháng 3 năm 2025, ở góc 17º so với đường hoàng đạo, nhưng đến tháng 7 năm 2029, nó sẽ ở 33º.
Hy vọng là hình ảnh Mặt trời độc đáo này sẽ mang lại cái nhìn sâu sắc hơn về chu kỳ mặt trời, mô hình hoạt động lặp đi lặp lại trong đó số lượng vết đen Mặt trời đạt cực đại rồi giảm dần, chỉ đạt cực đại một lần nữa sau 11 năm kể từ lần cực đại cuối cùng.
Mặc dù mô hình này đã được ghi lại trong hơn 400 năm, nhưng không ai biết nguyên nhân của nó.
Müller nói: “Không rõ tại sao nó có chu kỳ 11 năm này – các ngôi sao khác có chu kỳ khác nhau.
“Có nhiều giả thuyết khác nhau, nhưng chúng tôi chỉ có thể xác thực chúng bằng cách lấy dữ liệu từ các vùng cực – bạn cần một nghiên cứu từ trên cao về các cực để xem từ trường thay đổi và được vận chuyển như thế nào. Đó là cột mốc quan trọng tiếp theo.”
Tuy nhiên, Tàu quỹ đạo Mặt trời không phải là sứ mệnh duy nhất trở nên thân thiện với Mặt trời, vì Tàu thăm dò Mặt trời Parker của NASA cũng đang lặn quanh Mặt trời.
Và nếu Solar Orbiter đến gần Mặt trời, thì Parker sẽ lướt qua nó.
Chỉ một tháng trước lần tiếp cận gần nhất của Tàu quỹ đạo Mặt trời, Parker đã thực hiện hành trình điểm cận nhật thứ 11, chỉ cách quang quyển của Mặt trời 5,3 triệu km – lớp ‘bề mặt’ của Mặt trời, nơi phát ra ánh sáng mà chúng ta có thể nhìn thấy.
Nó gần đến mức nó thực sự xuyên qua lớp ngoài của bầu khí quyển Mặt trời, vành nhật hoa.
Müller nói: “Về cơ bản, Parker hít một hơi thật sâu và bay vào Mặt trời, hy vọng sẽ xuất hiện nguyên vẹn để liên kết dữ liệu xuống.
Vào ngày 28 tháng 4 năm 2021 ở khoảng cách 18,8 bán kính Mặt trời (13 triệu km), Parker đo được rằng nó đã đi qua bề mặt tới hạn Alfvén – điểm mà tại đó các hạt Mặt trời thoát khỏi từ trường của Mặt trời và trở thành một phần của gió Mặt trời.
Đây là lần đầu tiên Parker ‘chạm vào Mặt trời’ và bước vào hào quang. Với mỗi lần vượt qua sau đó, Parker bay qua nhật hoa và có thể đo các hạt và từ trường gần Mặt trời nhất.
Mục tiêu của những lần lặn sâu này là tìm hiểu mối liên hệ giữa nhật hoa và gió mặt trời.
Tuy nhiên, đến gần như vậy đồng nghĩa với việc Parker phải chịu được sức nóng và ánh sáng gay gắt của Mặt trời.
Mặc dù tấm chắn nhiệt tổng hợp carbon của nó giữ cho các thiết bị của nó ở nhiệt độ phòng, nhưng nó không thể làm bất cứ điều gì về độ sáng.
Müller nói: “Nó không thể nhìn thẳng vào Mặt trời. “Nó chỉ có một camera hướng sang một bên, nơi nó có thể nhìn mà không bị bỏng.”
Máy ảnh được đề cập là Máy chụp ảnh trường rộng cho tàu thăm dò năng lượng mặt trời Parker (WISPR), chụp ảnh gió mặt trời khi nó thổi qua.
Những hình ảnh này cho thấy mô hình của các hạt sáng được gọi là các dòng chảy trong vành nhật hoa và giúp xây dựng một bức tranh về hình dạng của gió từ bên trong.
Quỹ đạo cực hạn cũng có nghĩa là Parker chỉ có thể mang theo ba dụng cụ khác để đo các hạt và từ trường xung quanh nó. Nhưng ngay cả với kho vũ khí hạn chế của mình, Parker đã xoay sở để thực hiện một số khám phá hấp dẫn.
Vào năm 2019, khi nó vẫn còn cách 34 bán kính mặt trời, Parker đã quan sát thấy những đường đi ngoằn ngoèo kỳ lạ của các hạt tích điện được gọi là chuyển đổi ngược.
Nour Raouafi, nhà khoa học dự án của Parker cho biết: “Sự đảo ngược là sự đảo ngược của từ trường.
“Từ trường sẽ tự đảo chiều trong vài giây hoặc vài phút.” Chuyển đổi lần đầu tiên được nhìn thấy bởi tàu vũ trụ Ulysses của ESA vào những năm 1990, nhưng bây giờ Parker đã quan sát chúng gần Mặt trời hơn nhiều, người ta phát hiện ra rằng chúng phổ biến hơn nhiều so với lần xuất hiện đầu tiên.
Parker đã có thể đo lường rằng những chuyển đổi ngược này rất giàu helium, có thể bắt nguồn từ các phễu từ tính ở đáy của vành nhật hoa.
Hiểu các hiện tượng như chuyển đổi là rất quan trọng để giải thích một trong những câu hỏi lớn nhất xung quanh Mặt trời mà Parker hy vọng sẽ trả lời.
Trong khi bề mặt ngôi sao của chúng ta được đo ở nhiệt độ dễ chịu là 5.500º C, nhật hoa đạt đến nhiệt độ khoảng một triệu độ C và không ai biết tại sao.
Một giả thuyết cho rằng các tia hạt nhanh, giống như những tia nhìn thấy trong chuyển đổi ngược, có thể là nguyên nhân.
“Có rất nhiều giả thuyết,” Kelly Korreck, nhà khoa học chương trình Vật lý Nhật Bản của NASA cho biết.
“Khi chúng tôi thu được ngày càng nhiều dữ liệu để kiểm tra các lý thuyết đó, chúng tôi sẽ tiến gần hơn đến việc tìm ra các chuyển đổi ngược và vai trò của chúng đối với gió mặt trời.”
Cũng giống như Solar Orbiter, Parker vẫn đang tiến gần đến quỹ đạo cuối cùng của nó, với hai lần bay ngang qua Sao Kim nữa được lên kế hoạch giúp đưa nó vào quỹ đạo để đến tháng 12 năm 2024, nó sẽ bay cách Mặt trời 6,2 triệu km với tốc độ 690.000 km mỗi giờ.
Nhưng phần thú vị nhất trong nhiệm vụ của nó sẽ đến vào thời điểm mà không ai có thể đoán trước được.
Raouafi nói: “Một điều mà chúng tôi đang mong chờ là khi Tàu thăm dò Mặt trời Parker bay qua một trong những vụ phun trào khối lượng cực lớn ở rất gần Mặt trời và cho chúng ta biết các hạt năng lượng Mặt trời được gia tốc như thế nào với tốc độ ánh sáng”.
Các tàu thăm dò năng lượng mặt trời sẽ tiếp tục các giai đoạn khoa học của chúng khi chúng xoắn ốc gần Mặt trời hơn và khả năng quay trở lại của chúng sẽ chỉ tăng lên khi chúng có thể hợp tác cùng nhau.
Trong khi Parker quan sát trực tiếp những gì đang xảy ra gần bề mặt của nó, đánh hơi gió mặt trời và plasma, thì Solar Orbiter có thể quan sát rộng hơn những gì đang diễn ra.
Đồng thời, các đài quan sát mặt trời hiện có dựa trên mặt đất và quỹ đạo gần Trái đất hơn sẽ có thể quan sát toàn bộ Mặt trời, mang lại cái nhìn toàn cầu.
Chắc chắn sẽ không thiếu những thứ cần xem xét trong những năm tới, vì chu kỳ mặt trời hiện tại dự kiến sẽ đạt cực đại trong khoảng thời gian từ tháng 11 năm 2024 đến tháng 3 năm 2026.
Với số lượng ngày càng tăng của các vết đen, các vết lóa và các vụ phun trào vành nhật hoa tạo ra một cơn bão thời tiết không gian, tất cả các nhà quan sát mặt trời trên thế giới sẽ quan sát một cách thích thú, cố gắng khám phá điều gì làm cho gió mặt trời thổi.
Bài viết này ban đầu xuất hiện trong số tháng 7 năm 2022 của Tạp chí BBC Sky at Night .