Mặt trời, với tất cả sự hào nhoáng của nó, có xu hướng ẩn sau một bức màn bí ẩn. Ví dụ, bầu khí quyển bên ngoài của nó, vành nhật hoa, dường như nóng hơn bề mặt của nó — nóng hơn nhiều — và các nhà khoa học không chắc tại sao. Ngoài ra còn có một câu đố lớn liên quan đến cách gió mặt trời, một luồng các hạt tích điện phát ra từ mặt trời, được tăng tốc khi phóng qua không gian. Chính xác thì điều gì thúc đẩy các hạt đó? Và sắp tới, NASA dự định sẽ giải quyết một câu đố khác về mặt trời liên quan đến cả vành nhật hoa và gió mặt trời.
Cơ quan này muốn biết cách thức mà cái này chuyển thành cái kia — và tìm hiểu cách thức mà kết nối này cuối cùng tạo ra buồng gió mặt trời mà chúng ta đang sống, được gọi là nhật quyển.
Vào ngày 27 tháng 2, trên tên lửa SpaceX Falcon 9, NASA có kế hoạch phóng sứ mệnh nghiên cứu mặt trời PUNCH lên quỹ đạo Trái đất thấp. Nó sẽ bay song song với đài quan sát SPHEREx của cơ quan này, giống như một phiên bản góc rộng của Kính viễn vọng không gian James Webb, như một phần của Chương trình dịch vụ phóng của cơ quan này nhằm mục đích giúp các sứ mệnh không gian tiết kiệm chi phí hơn.
"PUNCH là sứ mệnh đầu tiên được thiết kế riêng để thống nhất hai lĩnh vực chính trong vật lý mặt trời: vật lý mặt trời và vật lý gió mặt trời", Craig DeForest, nhà nghiên cứu chính của PUNCH từ Viện nghiên cứu Tây Nam, phát biểu với các phóng viên vào ngày 4 tháng 2.
PUNCH, viết tắt của Polarimeter to Unify the Corona and Heliosphere, bao gồm bốn vệ tinh nhỏ sẽ hoạt động song song để tạo ra các quan sát 3D về nhật quyển bên trong nói riêng. "Nhật quyển" dùng để chỉ một vùng (giống như bong bóng) xung quanh mặt trời. Vùng này thực sự bao bọc toàn bộ hệ mặt trời của chúng ta và được hình thành do các hạt gió mặt trời phát ra từ mặt trời và cuối cùng ép vào môi trường giữa các vì sao. Điều đó tạo ra một rào cản giữa phần không gian bị gió mặt trời chi phối và phần còn lại của vũ trụ, khiến khu vực vũ trụ của chúng ta nằm trong buồng gió mặt trời này.
"Nhật quyển của chúng ta là một vật thể khổng lồ, đồ sộ trải dài từ mặt trời đến tận cùng, và PUNCH sẽ kết nối từ đầu gần nhất của mặt trời đến đầu xa nhất", Joe Westlake, giám đốc Bộ phận Vật lý Mặt trời của NASA tại trụ sở chính của cơ quan này, đã nói với các phóng viên trong cuộc gọi.
Nhưng, một lần nữa, điều mà các nhà khoa học thực sự hy vọng khám phá ra là cách vành nhật hoa trở thành nhật quyển. "PUNCH sẽ là một công cụ thống nhất thực sự tuyệt vời", Nicholeen Viall, nhà khoa học của sứ mệnh PUNCH tại Trung tâm bay không gian Goddard của NASA ở Maryland, cho biết trong cuộc gọi.
Điều này có thể có những hàm ý sâu rộng, hấp dẫn nhất là liên quan đến việc chúng ta có thể dự báo tốt như thế nào các sự kiện thời tiết không gian vừa ngọt ngào vừa đắng ngắt, vừa mang đến cho chúng ta những cực quang tuyệt đẹp vừa đe dọa đến lưới điện.
"Chúng ta phải có hai loại thiết bị, DeForest nói, "một loại nhìn gần mặt trời, nơi mặt trời sáng, và một loại nhìn xa hơn mặt trời, nơi mặt trời mờ hơn — nhưng những loại nhìn xa hơn có một vấn đề: Có một hành tinh cản đường, dưới dạng Trái đất."
Tuy nhiên, vẫn có một giải pháp.
"Chúng tôi phải chế tạo thiết bị ở rất xa Trái đất, điều này sẽ rất tốn kém," DeForest nói. "Hoặc, chúng tôi cần chế tạo nó lớn bằng Trái đất."
Nhóm nghiên cứu đã chọn phương án sau. Tuy nhiên, rõ ràng là không dễ dàng — và có lẽ là không thể? — để chế tạo một tàu vũ trụ có kích thước bằng Trái đất bằng công nghệ chúng ta có. Vì vậy, các nhà khoa học đã chọn phương án tốt nhất tiếp theo. "Tất cả những gì chúng tôi phải làm là chia nó thành ba phần và gắn vào ba tàu vũ trụ khác nhau," DeForest nói. "Đó là lý do tại sao chúng tôi có ba máy chụp ảnh trường rộng."
Khái niệm này tương tự như cách nhóm Kính viễn vọng chân trời sự kiện (EHT) chụp được hình ảnh hố đen đầu tiên (và thứ hai) do con người chụp được. Để đạt được kỳ tích như vậy, các nhà nghiên cứu EHT nhận ra rằng họ sẽ cần một kính viễn vọng lớn bằng Trái đất — vì vậy, họ đã phân tán một loạt kính viễn vọng trên các khu vực khác nhau của hành tinh, sau đó ghép tất cả dữ liệu lại với nhau.
Đối với phần cuối cùng của PUNCH — thành viên thứ tư của chòm sao vệ tinh — DeForest giải thích rằng đó là một máy ảnh trường hẹp do Phòng thí nghiệm nghiên cứu hải quân ở Washington, D.C. chế tạo. Máy ảnh này hoạt động khác với ba máy ảnh còn lại; nó bao gồm một máy ảnh được đặt ở vị trí sao cho có thể nhìn thấy nhật thực toàn phần nhân tạo. Ví dụ, hãy nhớ lại hình ảnh của nhật thực toàn phần năm 2024 tự nhiên trông như thế nào: một quầng sáng trắng mỏng manh xung quanh một vòng tròn tối. Quầng sáng trắng là vành nhật hoa của mặt trời và vòng tròn tối là hình bóng của mặt trăng. Đó là cùng một ý tưởng.
"PUNCH sẽ thấy nhật thực toàn phần; thấy vành nhật hoa đó; thấy nó khi nó mở rộng ra bên ngoài, nhưng nó thậm chí còn tuyệt hơn nhật thực — vì bạn không chỉ được thấy nó trong vài phút khi mặt trăng che khuất phần chính của mặt trời, cho phép bạn nhìn thấy vành nhật hoa, mà vì PUNCH tạo ra nhật thực nhân tạo, chúng ta có thể xem nó mọi lúc và chúng ta có thể xem nó ở độ phân giải cao", Viall nói.
"Nếu bạn tưởng tượng được nhìn thấy nhật thực trên bầu trời thực, thì những gì PUNCH được nhìn thấy kéo dài từ trên cao xuống tận đường chân trời", cô nói thêm. "Đó là một khối lượng khổng lồ của hệ mặt trời".
Nhưng đây chỉ là một nửa câu chuyện. Điều quan trọng thứ hai về PUNCH là nó là một máy đo phân cực tận dụng một đặc tính của ánh sáng được gọi là phân cực.
"Máy đo phân cực là một máy ảnh có thể đo ánh sáng phân cực như bạn có thể nhìn thấy qua một cặp kính râm phân cực, và chúng tôi sử dụng nó để đo những gì chúng tôi đang chụp trong ba chiều", DeForest cho biết.
"Mọi thứ chúng ta nhìn thấy xung quanh mình, ngoại trừ chính nguồn sáng, đều bị phân tán khỏi bề mặt hoặc khỏi một vật thể trong không gian", ông nói thêm. "Vì vậy, khi chúng ta nhìn vào gió mặt trời, chúng ta đang nhìn vào ánh sáng mặt trời bị phân tán khỏi vật chất thực tế mà chúng ta đang nhìn thấy. Quá trình phân tán đó phân cực ánh sáng và mức độ phân cực cho chúng ta biết vật thể ở đâu trong ba chiều".
"Chúng tôi hy vọng rằng chúng tôi sẽ cách mạng hóa cách dự báo thời tiết không gian", DeForest cho biết. "Chúng tôi là sứ mệnh đầu tiên có thể theo dõi các sự kiện thời tiết không gian theo ba chiều thường xuyên trên khắp hệ mặt trời."
PUNCH cũng sẽ cố gắng làm việc với các tàu thăm dò năng lượng mặt trời khác, bao gồm cả tàu Parker Solar Probe tiên phong, theo nghĩa đen là lao vào vành nhật hoa của mặt trời thỉnh thoảng, gần đây nhất là vào đêm Giáng sinh năm ngoái.
Các câu chuyện liên quan:
— Tàu thăm dò năng lượng mặt trời Parker của NASA truyền về nhà bản cập nhật chi tiết đầu tiên sau khi tiếp cận mặt trời phá kỷ lục
— 'Rất nhiều thứ đã thay đổi': NOAA đang viết lại cuốn sách về cách xếp hạng các cơn bão mặt trời
— Bạn dự báo một cơn bão mặt trời như thế nào? Các chuyên gia về thời tiết vũ trụ giải thích
"Cùng nhau, hai nhiệm vụ sẽ cung cấp các tập dữ liệu bổ sung đầu tiên, cho thấy cách mặt trời tạo ra gió mặt trời và thời tiết vũ trụ trải dài trên quy mô một tỷ lần", DeForest cho biết. "Điều đó giống như theo dõi và đo lường đồng thời cấu trúc giải phẫu của một ngôi sao chạy nước rút và cả chuyển động riêng lẻ của các phân tử glucose trong cơ của người chạy đó".
Và cuối cùng, DeForest chỉ ra một "tác dụng phụ" đặc biệt của khoa học chính của PUNCH: "Chúng tôi sẽ tạo ra thiên văn học mới bằng cách tạo ra bản đồ sao phân cực toàn diện nhất thế giới chỉ hơn ba phần tư bầu trời có thể nhìn thấy".
Cơ quan này muốn biết cách thức mà cái này chuyển thành cái kia — và tìm hiểu cách thức mà kết nối này cuối cùng tạo ra buồng gió mặt trời mà chúng ta đang sống, được gọi là nhật quyển.
Vào ngày 27 tháng 2, trên tên lửa SpaceX Falcon 9, NASA có kế hoạch phóng sứ mệnh nghiên cứu mặt trời PUNCH lên quỹ đạo Trái đất thấp. Nó sẽ bay song song với đài quan sát SPHEREx của cơ quan này, giống như một phiên bản góc rộng của Kính viễn vọng không gian James Webb, như một phần của Chương trình dịch vụ phóng của cơ quan này nhằm mục đích giúp các sứ mệnh không gian tiết kiệm chi phí hơn.
"PUNCH là sứ mệnh đầu tiên được thiết kế riêng để thống nhất hai lĩnh vực chính trong vật lý mặt trời: vật lý mặt trời và vật lý gió mặt trời", Craig DeForest, nhà nghiên cứu chính của PUNCH từ Viện nghiên cứu Tây Nam, phát biểu với các phóng viên vào ngày 4 tháng 2.
PUNCH, viết tắt của Polarimeter to Unify the Corona and Heliosphere, bao gồm bốn vệ tinh nhỏ sẽ hoạt động song song để tạo ra các quan sát 3D về nhật quyển bên trong nói riêng. "Nhật quyển" dùng để chỉ một vùng (giống như bong bóng) xung quanh mặt trời. Vùng này thực sự bao bọc toàn bộ hệ mặt trời của chúng ta và được hình thành do các hạt gió mặt trời phát ra từ mặt trời và cuối cùng ép vào môi trường giữa các vì sao. Điều đó tạo ra một rào cản giữa phần không gian bị gió mặt trời chi phối và phần còn lại của vũ trụ, khiến khu vực vũ trụ của chúng ta nằm trong buồng gió mặt trời này.
"Nhật quyển của chúng ta là một vật thể khổng lồ, đồ sộ trải dài từ mặt trời đến tận cùng, và PUNCH sẽ kết nối từ đầu gần nhất của mặt trời đến đầu xa nhất", Joe Westlake, giám đốc Bộ phận Vật lý Mặt trời của NASA tại trụ sở chính của cơ quan này, đã nói với các phóng viên trong cuộc gọi.
Nhưng, một lần nữa, điều mà các nhà khoa học thực sự hy vọng khám phá ra là cách vành nhật hoa trở thành nhật quyển. "PUNCH sẽ là một công cụ thống nhất thực sự tuyệt vời", Nicholeen Viall, nhà khoa học của sứ mệnh PUNCH tại Trung tâm bay không gian Goddard của NASA ở Maryland, cho biết trong cuộc gọi.
Điều này có thể có những hàm ý sâu rộng, hấp dẫn nhất là liên quan đến việc chúng ta có thể dự báo tốt như thế nào các sự kiện thời tiết không gian vừa ngọt ngào vừa đắng ngắt, vừa mang đến cho chúng ta những cực quang tuyệt đẹp vừa đe dọa đến lưới điện.
PUNCH hoạt động như thế nào
Có một vài khía cạnh chính về cách PUNCH sẽ hoạt động. Trước hết, như đã đề cập, đó không phải là một tàu vũ trụ mà là một chòm sao gồm bốn tàu vũ trụ sẽ được bố trí ở các khu vực khác nhau của quỹ đạo Trái đất thấp. Lý do cho bộ tứ này rất thú vị, và thực tế không phải là một khái niệm chưa từng nghe đến trong thám hiểm không gian."Chúng ta phải có hai loại thiết bị, DeForest nói, "một loại nhìn gần mặt trời, nơi mặt trời sáng, và một loại nhìn xa hơn mặt trời, nơi mặt trời mờ hơn — nhưng những loại nhìn xa hơn có một vấn đề: Có một hành tinh cản đường, dưới dạng Trái đất."
Tuy nhiên, vẫn có một giải pháp.
"Chúng tôi phải chế tạo thiết bị ở rất xa Trái đất, điều này sẽ rất tốn kém," DeForest nói. "Hoặc, chúng tôi cần chế tạo nó lớn bằng Trái đất."
Nhóm nghiên cứu đã chọn phương án sau. Tuy nhiên, rõ ràng là không dễ dàng — và có lẽ là không thể? — để chế tạo một tàu vũ trụ có kích thước bằng Trái đất bằng công nghệ chúng ta có. Vì vậy, các nhà khoa học đã chọn phương án tốt nhất tiếp theo. "Tất cả những gì chúng tôi phải làm là chia nó thành ba phần và gắn vào ba tàu vũ trụ khác nhau," DeForest nói. "Đó là lý do tại sao chúng tôi có ba máy chụp ảnh trường rộng."
Khái niệm này tương tự như cách nhóm Kính viễn vọng chân trời sự kiện (EHT) chụp được hình ảnh hố đen đầu tiên (và thứ hai) do con người chụp được. Để đạt được kỳ tích như vậy, các nhà nghiên cứu EHT nhận ra rằng họ sẽ cần một kính viễn vọng lớn bằng Trái đất — vì vậy, họ đã phân tán một loạt kính viễn vọng trên các khu vực khác nhau của hành tinh, sau đó ghép tất cả dữ liệu lại với nhau.
Đối với phần cuối cùng của PUNCH — thành viên thứ tư của chòm sao vệ tinh — DeForest giải thích rằng đó là một máy ảnh trường hẹp do Phòng thí nghiệm nghiên cứu hải quân ở Washington, D.C. chế tạo. Máy ảnh này hoạt động khác với ba máy ảnh còn lại; nó bao gồm một máy ảnh được đặt ở vị trí sao cho có thể nhìn thấy nhật thực toàn phần nhân tạo. Ví dụ, hãy nhớ lại hình ảnh của nhật thực toàn phần năm 2024 tự nhiên trông như thế nào: một quầng sáng trắng mỏng manh xung quanh một vòng tròn tối. Quầng sáng trắng là vành nhật hoa của mặt trời và vòng tròn tối là hình bóng của mặt trăng. Đó là cùng một ý tưởng.
"PUNCH sẽ thấy nhật thực toàn phần; thấy vành nhật hoa đó; thấy nó khi nó mở rộng ra bên ngoài, nhưng nó thậm chí còn tuyệt hơn nhật thực — vì bạn không chỉ được thấy nó trong vài phút khi mặt trăng che khuất phần chính của mặt trời, cho phép bạn nhìn thấy vành nhật hoa, mà vì PUNCH tạo ra nhật thực nhân tạo, chúng ta có thể xem nó mọi lúc và chúng ta có thể xem nó ở độ phân giải cao", Viall nói.
"Nếu bạn tưởng tượng được nhìn thấy nhật thực trên bầu trời thực, thì những gì PUNCH được nhìn thấy kéo dài từ trên cao xuống tận đường chân trời", cô nói thêm. "Đó là một khối lượng khổng lồ của hệ mặt trời".
Nhưng đây chỉ là một nửa câu chuyện. Điều quan trọng thứ hai về PUNCH là nó là một máy đo phân cực tận dụng một đặc tính của ánh sáng được gọi là phân cực.
"Máy đo phân cực là một máy ảnh có thể đo ánh sáng phân cực như bạn có thể nhìn thấy qua một cặp kính râm phân cực, và chúng tôi sử dụng nó để đo những gì chúng tôi đang chụp trong ba chiều", DeForest cho biết.
"Mọi thứ chúng ta nhìn thấy xung quanh mình, ngoại trừ chính nguồn sáng, đều bị phân tán khỏi bề mặt hoặc khỏi một vật thể trong không gian", ông nói thêm. "Vì vậy, khi chúng ta nhìn vào gió mặt trời, chúng ta đang nhìn vào ánh sáng mặt trời bị phân tán khỏi vật chất thực tế mà chúng ta đang nhìn thấy. Quá trình phân tán đó phân cực ánh sáng và mức độ phân cực cho chúng ta biết vật thể ở đâu trong ba chiều".
Chào mừng các tác dụng phụ
PUNCH, nếu mọi việc diễn ra theo kế hoạch, sẽ có thể tiết lộ những điều về mặt trời vượt ra ngoài sự thống nhất của vành nhật hoa và nhật quyển. Ví dụ, nhóm nghiên cứu cho biết điều này có thể thay đổi hoàn toàn trò chơi dự báo thời tiết không gian, nghĩa là chúng ta có thể biết khi nào một cơn bão mặt trời sẽ tấn công với độ chính xác cao hơn so với hiện tại. Điều này chắc chắn là tốt cho những người săn cực quang, nhưng cũng tốt trong trường hợp một cơn bão lớn có sức mạnh gây hại cho các phi hành gia đi bộ ngoài không gian, chẳng hạn, đang hướng đến chúng ta."Chúng tôi hy vọng rằng chúng tôi sẽ cách mạng hóa cách dự báo thời tiết không gian", DeForest cho biết. "Chúng tôi là sứ mệnh đầu tiên có thể theo dõi các sự kiện thời tiết không gian theo ba chiều thường xuyên trên khắp hệ mặt trời."
PUNCH cũng sẽ cố gắng làm việc với các tàu thăm dò năng lượng mặt trời khác, bao gồm cả tàu Parker Solar Probe tiên phong, theo nghĩa đen là lao vào vành nhật hoa của mặt trời thỉnh thoảng, gần đây nhất là vào đêm Giáng sinh năm ngoái.
Các câu chuyện liên quan:
— Tàu thăm dò năng lượng mặt trời Parker của NASA truyền về nhà bản cập nhật chi tiết đầu tiên sau khi tiếp cận mặt trời phá kỷ lục
— 'Rất nhiều thứ đã thay đổi': NOAA đang viết lại cuốn sách về cách xếp hạng các cơn bão mặt trời
— Bạn dự báo một cơn bão mặt trời như thế nào? Các chuyên gia về thời tiết vũ trụ giải thích
"Cùng nhau, hai nhiệm vụ sẽ cung cấp các tập dữ liệu bổ sung đầu tiên, cho thấy cách mặt trời tạo ra gió mặt trời và thời tiết vũ trụ trải dài trên quy mô một tỷ lần", DeForest cho biết. "Điều đó giống như theo dõi và đo lường đồng thời cấu trúc giải phẫu của một ngôi sao chạy nước rút và cả chuyển động riêng lẻ của các phân tử glucose trong cơ của người chạy đó".
Và cuối cùng, DeForest chỉ ra một "tác dụng phụ" đặc biệt của khoa học chính của PUNCH: "Chúng tôi sẽ tạo ra thiên văn học mới bằng cách tạo ra bản đồ sao phân cực toàn diện nhất thế giới chỉ hơn ba phần tư bầu trời có thể nhìn thấy".
