Vào tháng 12 năm 2024, Cơ quan Vũ trụ Châu Âu đã phóng sứ mệnh PROBA-3, một kỳ quan kỹ thuật được thiết kế để quan sát nhật thực nhân tạo. Sáu tháng sau vụ phóng hoành tráng, sứ mệnh này vừa công bố những bức ảnh đầu tiên, khiến các nhà thiên văn học vô cùng thích thú.
Nhật thực, xảy ra khi Mặt trăng che khuất Mặt trời bằng cách định vị chính xác giữa Trái đất và ngôi sao của chúng ta, là những cảnh tượng tuyệt đẹp, đối với cả cá nhân và nhà nghiên cứu. Đối với những người sau, chúng đại diện cho một cơ hội hiếm có để quan sát các chi tiết vô hình của vành nhật hoa - một mỏ vàng thông tin thực sự về hoạt động của ngôi sao này, nghịch lý thay, vẫn còn tương đối ít được hiểu biết ở nhiều khía cạnh.
Đây là lý do tại sao ESA đã thiết kế PROBA-3, một cặp đầu dò có sự hợp tác giúp tạo ra nhật thực nhân tạo. Một mặt là coronagraph, một thiết bị chứa đầy các dụng cụ được thiết kế riêng để quan sát bức xạ từ corona mặt trời. Mặt khác, người che khuất, có nhiệm vụ che khuất đĩa mặt trời để chỉ có vành nhật hoa là có thể nhìn thấy được – giống hệt như Mặt trăng làm với Trái đất trong các lần nhật thực tự nhiên.
Bằng cách tiến hành theo cách này, về mặt lý thuyết, có thể thu được các lần nhật thực nhân tạo gần như hoàn hảo và trên hết là cực kỳ dài. Cửa sổ quan sát kéo dài sáu giờ, so với vài phút của nhật thực tự nhiên, và điều này được lặp lại sau mỗi hai mươi giờ – với tất cả những gì điều này ngụ ý về lượng dữ liệu có thể sử dụng.
Trên thực tế, hai người bạn đồng hành liên tục chịu tác động của các lực bên ngoài (trọng lực, áp suất bức xạ, v.v.) đe dọa đến sự ổn định của đội hình. Ngoài ra, sau mỗi quỹ đạo, coronagraph và occulter di chuyển hơi xa nhau - một kết quả tất yếu khi hai phương tiện không được định vị chính xác trên cùng một quỹ đạo. Do đó, chúng phải gặp nhau và thiết lập lại đội hình của mình chính xác ở mỗi vòng quay, điều này làm phức tạp rất nhiều hoạt động.
Để giải quyết vấn đề chưa từng có này trong lịch sử hàng không vũ trụ, ESA đã phải đổi mới. Các kỹ sư của nó đã thiết kế một quy trình độc nhất vô nhị trên thế giới, bao gồm các yếu tố liên lạc, điều khiển, đẩy và nhắm mục tiêu.
Trung tâm điều khiển mặt đất bắt đầu bằng cách xác định vị trí của hai vệ tinh và hướng dẫn các động cơ đẩy khởi tạo quy trình gặp gỡ. Động tác ban đầu này phải được thực hiện với thời gian hoàn hảo, sao cho quỹ đạo của hai phương tiện thay đổi càng ít càng tốt so với nhau. Nếu không, sẽ xảy ra hiện tượng trôi dạt dần dần, khiến mỗi lần gặp gỡ tiếp theo càng khó khăn hơn.
Khi hai đầu dò tương đối gần nhau, một hệ thống điều khiển tự động lai, có khả năng quản lý cả hai phương tiện cùng lúc, sẽ tiếp quản. Hệ thống này hoàn toàn ngắt kết nối với cơ sở hạ tầng mặt đất để ngăn độ trễ viễn thông gây ra lỗi có vấn đề.
Hệ thống này bắt đầu bằng cách yêu cầu một cặp camera đặt trên occulter. Trên thực tế, cặp camera này hoạt động như một kính ngắm cho phép thiết bị khóa chính xác vào một bộ các điểm đánh dấu phát sáng được đặt trên coronagraph. Sau đó, một hệ thống ngắm bao gồm tia laser và một tấm phản xạ sẽ tiếp quản để quản lý các điều chỉnh cuối cùng. Từ đó, một bộ cảm biến bổ sung liên tục theo dõi các biến thể về độ sáng để đảm bảo đội hình vẫn ổn định theo thời gian, trong khi hệ thống đẩy điều chỉnh vị trí của hai phương tiện dựa trên các thông số quỹ đạo.
Đây là một kỳ quan kỹ thuật thực sự, thiết kế của nó đòi hỏi gần 15 năm làm việc chăm chỉ. Và công sức của họ cuối cùng đã được đền đáp. Vào thứ Hai, ngày 16 tháng 6, ESA đã công bố rằng PROBA-3 đã tạo ra nhật thực nhân tạo đầu tiên của mình.
Hình ảnh đầu tiên, màu xanh lá cây đậm, cho thấy sắt bị ion hóa, mất electron do nhiệt độ khắc nghiệt. Nó có thể được sử dụng để tiết lộ những khu vực nóng nhất của vành nhật hoa, cũng như các hiện tượng dữ dội như bùng phát mặt trời. Hình ảnh thứ hai, màu vàng, biểu diễn nồng độ heli. Cụ thể, chúng ta có thể thấy một vết lồi của mặt trời, một vòng plasma khổng lồ trải dài từ bề mặt của ngôi sao dưới tác động của từ trường.
Và đây chỉ là một vài ví dụ riêng lẻ: trong lần quan sát đầu tiên này, tàu thăm dò đã tạo ra nhiều hình ảnh, mỗi hình ảnh cung cấp thông tin có giá trị về một thông số khác nhau của khoa học mặt trời.
Khi quá trình này hoàn tất, hai tàu vũ trụ sẽ có thể bắt đầu chụp nhật thực sau mỗi hai mươi giờ, tạo ra luồng dữ liệu chưa từng có. Sẽ rất thú vị khi theo dõi công trình của ESA về chủ đề này và xem xét các kết luận mà các nhà nghiên cứu có thể rút ra bằng cách tham chiếu chéo thông tin này với thông tin do các tàu vũ trụ khác báo cáo, bắt đầu với các tàu thăm dò mặt trời Parker và Solar Orbiter. Cùng nhau, ba thiết bị đáng gờm này có thể mở ra một kỷ nguyên mới của khoa học mặt trời.
"Kỷ nguyên mới cho khoa học mặt trời": ESA chụp những hình ảnh đầu tiên về cực của Mặt trời
Nhật thực, xảy ra khi Mặt trăng che khuất Mặt trời bằng cách định vị chính xác giữa Trái đất và ngôi sao của chúng ta, là những cảnh tượng tuyệt đẹp, đối với cả cá nhân và nhà nghiên cứu. Đối với những người sau, chúng đại diện cho một cơ hội hiếm có để quan sát các chi tiết vô hình của vành nhật hoa - một mỏ vàng thông tin thực sự về hoạt động của ngôi sao này, nghịch lý thay, vẫn còn tương đối ít được hiểu biết ở nhiều khía cạnh.
Nhật thực nhân tạo theo yêu cầu
Vấn đề là nhật thực, đặc biệt là nhật thực toàn phần, vừa tương đối hiếm vừa phù du. Điều này thật không may, vì nó hạn chế rất nhiều các cơ hội quan sát và việc thu thập dữ liệu có thể dẫn đến những tiến bộ đáng kể trong vật lý thiên văn.Đây là lý do tại sao ESA đã thiết kế PROBA-3, một cặp đầu dò có sự hợp tác giúp tạo ra nhật thực nhân tạo. Một mặt là coronagraph, một thiết bị chứa đầy các dụng cụ được thiết kế riêng để quan sát bức xạ từ corona mặt trời. Mặt khác, người che khuất, có nhiệm vụ che khuất đĩa mặt trời để chỉ có vành nhật hoa là có thể nhìn thấy được – giống hệt như Mặt trăng làm với Trái đất trong các lần nhật thực tự nhiên.
Bằng cách tiến hành theo cách này, về mặt lý thuyết, có thể thu được các lần nhật thực nhân tạo gần như hoàn hảo và trên hết là cực kỳ dài. Cửa sổ quan sát kéo dài sáu giờ, so với vài phút của nhật thực tự nhiên, và điều này được lặp lại sau mỗi hai mươi giờ – với tất cả những gì điều này ngụ ý về lượng dữ liệu có thể sử dụng.
Một vở ba lê quỹ đạo với độ chính xác cực cao
Nhưng để đạt được điều này, hai cỗ máy phải di chuyển theo đội hình gần nhau trên các quỹ đạo cực kỳ chính xác. Chúng phải ổn định cách nhau 150 mét, sao cho đĩa che khuất 1,4 mét chiếu một cái bóng dài 5 cm chính xác vào giữa hệ thống quang học của coronagraph. Tất cả những điều này với biên độ sai số nhỏ hơn một milimét. Và điều này không hề dễ thực hiện với hai thiết bị hoạt động ở độ cao hơn 50.000 km.Trên thực tế, hai người bạn đồng hành liên tục chịu tác động của các lực bên ngoài (trọng lực, áp suất bức xạ, v.v.) đe dọa đến sự ổn định của đội hình. Ngoài ra, sau mỗi quỹ đạo, coronagraph và occulter di chuyển hơi xa nhau - một kết quả tất yếu khi hai phương tiện không được định vị chính xác trên cùng một quỹ đạo. Do đó, chúng phải gặp nhau và thiết lập lại đội hình của mình chính xác ở mỗi vòng quay, điều này làm phức tạp rất nhiều hoạt động.
Để giải quyết vấn đề chưa từng có này trong lịch sử hàng không vũ trụ, ESA đã phải đổi mới. Các kỹ sư của nó đã thiết kế một quy trình độc nhất vô nhị trên thế giới, bao gồm các yếu tố liên lạc, điều khiển, đẩy và nhắm mục tiêu.
Trung tâm điều khiển mặt đất bắt đầu bằng cách xác định vị trí của hai vệ tinh và hướng dẫn các động cơ đẩy khởi tạo quy trình gặp gỡ. Động tác ban đầu này phải được thực hiện với thời gian hoàn hảo, sao cho quỹ đạo của hai phương tiện thay đổi càng ít càng tốt so với nhau. Nếu không, sẽ xảy ra hiện tượng trôi dạt dần dần, khiến mỗi lần gặp gỡ tiếp theo càng khó khăn hơn.
Khi hai đầu dò tương đối gần nhau, một hệ thống điều khiển tự động lai, có khả năng quản lý cả hai phương tiện cùng lúc, sẽ tiếp quản. Hệ thống này hoàn toàn ngắt kết nối với cơ sở hạ tầng mặt đất để ngăn độ trễ viễn thông gây ra lỗi có vấn đề.
Hệ thống này bắt đầu bằng cách yêu cầu một cặp camera đặt trên occulter. Trên thực tế, cặp camera này hoạt động như một kính ngắm cho phép thiết bị khóa chính xác vào một bộ các điểm đánh dấu phát sáng được đặt trên coronagraph. Sau đó, một hệ thống ngắm bao gồm tia laser và một tấm phản xạ sẽ tiếp quản để quản lý các điều chỉnh cuối cùng. Từ đó, một bộ cảm biến bổ sung liên tục theo dõi các biến thể về độ sáng để đảm bảo đội hình vẫn ổn định theo thời gian, trong khi hệ thống đẩy điều chỉnh vị trí của hai phương tiện dựa trên các thông số quỹ đạo.
Đây là một kỳ quan kỹ thuật thực sự, thiết kế của nó đòi hỏi gần 15 năm làm việc chăm chỉ. Và công sức của họ cuối cùng đã được đền đáp. Vào thứ Hai, ngày 16 tháng 6, ESA đã công bố rằng PROBA-3 đã tạo ra nhật thực nhân tạo đầu tiên của mình.
Những hình ảnh đầu tiên về vành nhật hoa
Vào dịp này, coronagraph đã kích hoạt cụm thiết bị của nó, được gọi là ASPIICS, lần đầu tiên. Trong khi người bạn đồng hành của nó vẫn hoàn toàn bình tĩnh trước ngôi sao của chúng ta, nó đã có thể chụp được nhiều hình ảnh về vành nhật hoa, từ ánh sáng khả kiến đến ánh sáng hồng ngoại và ánh sáng phân cực. Những hình ảnh thu được cực kỳ có giá trị vì chúng có thể cung cấp cho các nhà thiên văn học thông tin về vô số biến số và hiện tượng liên quan đến vành nhật hoa.
Hình ảnh đầu tiên, màu xanh lá cây đậm, cho thấy sắt bị ion hóa, mất electron do nhiệt độ khắc nghiệt. Nó có thể được sử dụng để tiết lộ những khu vực nóng nhất của vành nhật hoa, cũng như các hiện tượng dữ dội như bùng phát mặt trời. Hình ảnh thứ hai, màu vàng, biểu diễn nồng độ heli. Cụ thể, chúng ta có thể thấy một vết lồi của mặt trời, một vòng plasma khổng lồ trải dài từ bề mặt của ngôi sao dưới tác động của từ trường.
Và đây chỉ là một vài ví dụ riêng lẻ: trong lần quan sát đầu tiên này, tàu thăm dò đã tạo ra nhiều hình ảnh, mỗi hình ảnh cung cấp thông tin có giá trị về một thông số khác nhau của khoa học mặt trời.
Nếm thử bước ngoặt khoa học
Điều tuyệt vời nhất là đây chỉ là một cuộc thử nghiệm và PROBA-3 thậm chí còn chưa bắt đầu chiến dịch khoa học thực sự của mình. Trước khi đến đó, các nhóm ESA sẽ phải thực hiện một loạt các quan sát để xác minh rằng tất cả các thiết bị đều hoạt động theo đúng kế hoạch. Sau đó, họ sẽ cần hiệu chỉnh chúng một cách nghiêm ngặt để dữ liệu trong tương lai chính xác và mang tính đại diện nhất có thể.Khi quá trình này hoàn tất, hai tàu vũ trụ sẽ có thể bắt đầu chụp nhật thực sau mỗi hai mươi giờ, tạo ra luồng dữ liệu chưa từng có. Sẽ rất thú vị khi theo dõi công trình của ESA về chủ đề này và xem xét các kết luận mà các nhà nghiên cứu có thể rút ra bằng cách tham chiếu chéo thông tin này với thông tin do các tàu vũ trụ khác báo cáo, bắt đầu với các tàu thăm dò mặt trời Parker và Solar Orbiter. Cùng nhau, ba thiết bị đáng gờm này có thể mở ra một kỷ nguyên mới của khoa học mặt trời.
"Kỷ nguyên mới cho khoa học mặt trời": ESA chụp những hình ảnh đầu tiên về cực của Mặt trời
