Các nhà khoa học đang nghiên cứu cách các cảm biến được thiết kế để phát hiện các vụ thử hạt nhân có thể giúp theo dõi rác vũ trụ và thiên thạch rơi xuống những vùng xa xôi nhất thế giới.
Trên khắp thế giới, hàng chục máy dò siêu nhạy đã được lắp đặt kể từ đầu thời kỳ Chiến tranh Lạnh để phát hiện sóng hạ âm do các vụ thử hạt nhân cách xa hàng nghìn dặm tạo ra. Hạ âm là sóng âm thanh nằm rất xa dưới ngưỡng nghe của con người, tương tự như cách mà phạm vi ánh sáng hồng ngoại nằm rất xa dưới ngưỡng nhìn của con người.
Các máy dò này, một phần của mạng lưới phát hiện của Tổ chức Hiệp ước Cấm thử Hạt nhân Toàn diện (CTBTO), cũng thu được tiếng sấm hoặc tiếng nổ siêu âm do các mảnh thiên thạch lớn hoặc mảnh vỡ vũ trụ phân rã trong bầu khí quyển của Trái đất tạo ra.
Các nhà nghiên cứu hiện đang nghiên cứu cách các cảm biến này có thể giúp tái tạo quỹ đạo của các mảnh vỡ vũ trụ quay trở lại, đặc biệt là những mảnh vỡ rơi xuống các khu vực xa xôi, nơi không có sẵn các máy ảnh quang học và kính viễn vọng thông dụng. Theo một nhà khoa học hàng đầu trong lĩnh vực nghiên cứu này, các cảm biến này có thể mang lại những lợi thế độc đáo so với các phương pháp khác để theo dõi các vật thể rơi từ không gian.
"Ưu điểm của việc sử dụng mạng lưới cảm biến hạ âm khu vực và toàn cầu để nghiên cứu quỹ đạo của các thiên thạch và mảnh vỡ không gian là nó thực sự cung cấp phạm vi phủ sóng trên toàn thế giới, hoạt động liên tục cả ngày lẫn đêm và trong mọi điều kiện thời tiết", Elizabeth Silber, một nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia ở Hoa Kỳ, chia sẻ với Space.com.
"Không giống như các quan sát quang học, đòi hỏi bầu trời quang đãng và bóng tối, hoặc các hệ thống radar, có phạm vi hạn chế và bị hạn chế về mặt địa lý, sóng hạ âm có thể truyền đi hàng nghìn km với mức mất tín hiệu tối thiểu", Silber, tác giả chính của một nghiên cứu mới khám phá những ưu điểm và hạn chế của phương pháp phát hiện này, cho biết.
Các cảm biến hạ âm này có thể giúp xác định quỹ đạo của các vật thể không gian rơi bằng một phương pháp được gọi là phép tam giác hóa, so sánh các tín hiệu mà hai hoặc nhiều cảm biến nhận được để xác định vị trí của nguồn.
Các nhà nghiên cứu muốn biết những tính toán như vậy có thể chính xác đến mức nào tùy thuộc vào góc mà vật thể đi vào khí quyển.
Họ phát hiện ra rằng trong khi quỹ đạo của các tảng đá vũ trụ và rác thải rơi vào khí quyển ở góc dốc 60 độ trở lên dễ tái tạo từ các phép đo hạ âm, thì điều tương tự lại không áp dụng cho các vật thể bay qua khí quyển ở góc nông hơn.
"Các sự kiện góc dốc tích tụ năng lượng của chúng dọc theo một đoạn thẳng đứng tương đối ngắn của khí quyển, khiến chúng hoạt động gần giống như một "Vụ nổ điểm nguồn", Silber cho biết. "Hình dạng nhỏ gọn này có nghĩa là sóng âm phát ra di chuyển theo các đường đi gần như giống hệt nhau, dẫn đến các hướng đến nhất quán tại các cảm biến hạ âm xa".
Mặt khác, các mảnh rác vũ trụ và thiên thạch xâm nhập ở góc nông tạo ra dữ liệu gây nhầm lẫn khi được các cảm biến hạ âm đo lường vì chúng tạo ra các tín hiệu âm thanh dọc theo đường đi dài hàng trăm, thậm chí hàng nghìn km.
"Tại các trạm quan sát xa, tín hiệu từ các phân đoạn khác nhau của quỹ đạo dài đó có thể chiếm ưu thế, gây ra sự thay đổi đáng kể và không chắc chắn trong các hướng đến được đo lường", Silber giải thích.
Trái lại, hình ảnh từ máy ảnh và kính viễn vọng có xu hướng thực hiện tốt công việc tái tạo quỹ đạo của các vật thể đi vào ở các góc nông, lướt qua bầu trời như những ngôi sao băng tuyệt đẹp. Tuy nhiên, các thiết bị như vậy không có sẵn để theo dõi bầu trời phía trên các vùng xa xôi của các đại dương trên thế giới, nơi hầu hết rác vũ trụ và thiên thạch rơi xuống Trái đất hoặc bốc cháy trong bầu khí quyển.
Đó là lý do tại sao các nhà khoa học đang cố gắng tìm hiểu xem liệu sự kết hợp của các loại phép đo khác nhau có thể cung cấp dữ liệu chính xác hơn hay không. Ví dụ, những hạn chế của phép đo hạ âm hạn chế khả năng sử dụng dữ liệu như vậy trong hầu hết các trường hợp vệ tinh tái nhập, thường được dẫn vào khí quyển một cách từ từ ở các góc nông, Silber thừa nhận.
"Các vật thể quay trở lại từ quỹ đạo Trái Đất thấp (LEO) thường ở góc cực kỳ nông", Silber cho biết. "Điều này là do quỹ đạo của chúng suy giảm dần do lực cản của khí quyển, khiến chúng xoắn ốc hướng vào trong theo thời gian thay vì lao dốc mạnh."
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN:
— Các vệ tinh Starlink quay trở lại Trái đất của SpaceX gây ô nhiễm bầu khí quyển của Trái đất bao nhiêu?
— Xem các mảnh vỡ của SpaceX Starship Flight 8 rơi xuống Bahamas (video)
— Các mảnh vỡ tên lửa SpaceX Falcon 9 tạo ra quả cầu lửa ấn tượng trên bầu trời châu Âu, rơi xuống Ba Lan (video)
Hầu hết các thiên thạch cũng đi vào theo các góc nhỏ hơn 60 độ, trong đó 45 độ là góc phổ biến nhất mà các thiên thạch va vào bầu khí quyển, Silber thừa nhận. Các nhà nghiên cứu đang cố gắng tìm hiểu xem các cảm biến hạ âm có thể giúp hiểu được quỹ đạo của các vật thể như vậy ở mức độ nào và làm thế nào để cải thiện kết quả.
Mặc dù các cảm biến không thể đưa ra cảnh báo trước về các mảnh đá vũ trụ hoặc rác, nhưng các nhà khoa học rất muốn sử dụng dữ liệu để tìm hiểu thêm về những sự kiện có khả năng gây nguy hiểm này.
"Mặc dù việc phát hiện hạ âm không thể đưa ra cảnh báo theo thời gian thực, nhưng nó đóng vai trò thiết yếu trong việc mô tả các sự kiện, đánh giá tác động tiềm ẩn và hướng dẫn các nỗ lực ứng phó và phục hồi", Silber cho biết.
Nghiên cứu đã được trình bày tại Đại hội đồng của Liên minh Khoa học Trái đất Châu Âu vào tháng 4.
Trên khắp thế giới, hàng chục máy dò siêu nhạy đã được lắp đặt kể từ đầu thời kỳ Chiến tranh Lạnh để phát hiện sóng hạ âm do các vụ thử hạt nhân cách xa hàng nghìn dặm tạo ra. Hạ âm là sóng âm thanh nằm rất xa dưới ngưỡng nghe của con người, tương tự như cách mà phạm vi ánh sáng hồng ngoại nằm rất xa dưới ngưỡng nhìn của con người.
Các máy dò này, một phần của mạng lưới phát hiện của Tổ chức Hiệp ước Cấm thử Hạt nhân Toàn diện (CTBTO), cũng thu được tiếng sấm hoặc tiếng nổ siêu âm do các mảnh thiên thạch lớn hoặc mảnh vỡ vũ trụ phân rã trong bầu khí quyển của Trái đất tạo ra.
Các nhà nghiên cứu hiện đang nghiên cứu cách các cảm biến này có thể giúp tái tạo quỹ đạo của các mảnh vỡ vũ trụ quay trở lại, đặc biệt là những mảnh vỡ rơi xuống các khu vực xa xôi, nơi không có sẵn các máy ảnh quang học và kính viễn vọng thông dụng. Theo một nhà khoa học hàng đầu trong lĩnh vực nghiên cứu này, các cảm biến này có thể mang lại những lợi thế độc đáo so với các phương pháp khác để theo dõi các vật thể rơi từ không gian.
"Ưu điểm của việc sử dụng mạng lưới cảm biến hạ âm khu vực và toàn cầu để nghiên cứu quỹ đạo của các thiên thạch và mảnh vỡ không gian là nó thực sự cung cấp phạm vi phủ sóng trên toàn thế giới, hoạt động liên tục cả ngày lẫn đêm và trong mọi điều kiện thời tiết", Elizabeth Silber, một nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia ở Hoa Kỳ, chia sẻ với Space.com.
"Không giống như các quan sát quang học, đòi hỏi bầu trời quang đãng và bóng tối, hoặc các hệ thống radar, có phạm vi hạn chế và bị hạn chế về mặt địa lý, sóng hạ âm có thể truyền đi hàng nghìn km với mức mất tín hiệu tối thiểu", Silber, tác giả chính của một nghiên cứu mới khám phá những ưu điểm và hạn chế của phương pháp phát hiện này, cho biết.
Các cảm biến hạ âm này có thể giúp xác định quỹ đạo của các vật thể không gian rơi bằng một phương pháp được gọi là phép tam giác hóa, so sánh các tín hiệu mà hai hoặc nhiều cảm biến nhận được để xác định vị trí của nguồn.
Các nhà nghiên cứu muốn biết những tính toán như vậy có thể chính xác đến mức nào tùy thuộc vào góc mà vật thể đi vào khí quyển.
Họ phát hiện ra rằng trong khi quỹ đạo của các tảng đá vũ trụ và rác thải rơi vào khí quyển ở góc dốc 60 độ trở lên dễ tái tạo từ các phép đo hạ âm, thì điều tương tự lại không áp dụng cho các vật thể bay qua khí quyển ở góc nông hơn.
"Các sự kiện góc dốc tích tụ năng lượng của chúng dọc theo một đoạn thẳng đứng tương đối ngắn của khí quyển, khiến chúng hoạt động gần giống như một "Vụ nổ điểm nguồn", Silber cho biết. "Hình dạng nhỏ gọn này có nghĩa là sóng âm phát ra di chuyển theo các đường đi gần như giống hệt nhau, dẫn đến các hướng đến nhất quán tại các cảm biến hạ âm xa".
Mặt khác, các mảnh rác vũ trụ và thiên thạch xâm nhập ở góc nông tạo ra dữ liệu gây nhầm lẫn khi được các cảm biến hạ âm đo lường vì chúng tạo ra các tín hiệu âm thanh dọc theo đường đi dài hàng trăm, thậm chí hàng nghìn km.
"Tại các trạm quan sát xa, tín hiệu từ các phân đoạn khác nhau của quỹ đạo dài đó có thể chiếm ưu thế, gây ra sự thay đổi đáng kể và không chắc chắn trong các hướng đến được đo lường", Silber giải thích.
Trái lại, hình ảnh từ máy ảnh và kính viễn vọng có xu hướng thực hiện tốt công việc tái tạo quỹ đạo của các vật thể đi vào ở các góc nông, lướt qua bầu trời như những ngôi sao băng tuyệt đẹp. Tuy nhiên, các thiết bị như vậy không có sẵn để theo dõi bầu trời phía trên các vùng xa xôi của các đại dương trên thế giới, nơi hầu hết rác vũ trụ và thiên thạch rơi xuống Trái đất hoặc bốc cháy trong bầu khí quyển.
Đó là lý do tại sao các nhà khoa học đang cố gắng tìm hiểu xem liệu sự kết hợp của các loại phép đo khác nhau có thể cung cấp dữ liệu chính xác hơn hay không. Ví dụ, những hạn chế của phép đo hạ âm hạn chế khả năng sử dụng dữ liệu như vậy trong hầu hết các trường hợp vệ tinh tái nhập, thường được dẫn vào khí quyển một cách từ từ ở các góc nông, Silber thừa nhận.
"Các vật thể quay trở lại từ quỹ đạo Trái Đất thấp (LEO) thường ở góc cực kỳ nông", Silber cho biết. "Điều này là do quỹ đạo của chúng suy giảm dần do lực cản của khí quyển, khiến chúng xoắn ốc hướng vào trong theo thời gian thay vì lao dốc mạnh."
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN:
— Các vệ tinh Starlink quay trở lại Trái đất của SpaceX gây ô nhiễm bầu khí quyển của Trái đất bao nhiêu?
— Xem các mảnh vỡ của SpaceX Starship Flight 8 rơi xuống Bahamas (video)
— Các mảnh vỡ tên lửa SpaceX Falcon 9 tạo ra quả cầu lửa ấn tượng trên bầu trời châu Âu, rơi xuống Ba Lan (video)
Hầu hết các thiên thạch cũng đi vào theo các góc nhỏ hơn 60 độ, trong đó 45 độ là góc phổ biến nhất mà các thiên thạch va vào bầu khí quyển, Silber thừa nhận. Các nhà nghiên cứu đang cố gắng tìm hiểu xem các cảm biến hạ âm có thể giúp hiểu được quỹ đạo của các vật thể như vậy ở mức độ nào và làm thế nào để cải thiện kết quả.
Mặc dù các cảm biến không thể đưa ra cảnh báo trước về các mảnh đá vũ trụ hoặc rác, nhưng các nhà khoa học rất muốn sử dụng dữ liệu để tìm hiểu thêm về những sự kiện có khả năng gây nguy hiểm này.
"Mặc dù việc phát hiện hạ âm không thể đưa ra cảnh báo theo thời gian thực, nhưng nó đóng vai trò thiết yếu trong việc mô tả các sự kiện, đánh giá tác động tiềm ẩn và hướng dẫn các nỗ lực ứng phó và phục hồi", Silber cho biết.
Nghiên cứu đã được trình bày tại Đại hội đồng của Liên minh Khoa học Trái đất Châu Âu vào tháng 4.
