Sống cùng một vì sao (Phần 1) Phóng lên quỹ đạo hồi tháng 2, dữ liệu thu về từ bộ thiết bị nhạy gắn trên Đài thiên văn Động lực học Mặt trời của NASA đã định hình lại cái chúng ta biết về các quá trình mặt trời và nguyên nhân gây ra thời tiết vũ trụ. Ảnh: NASA Mặttrời củachúng ta trông xinhđẹp nhất tại thời khắc nguyhiểm nhất của nó. Nét đẹp đó có thể nhìn thấy từ trên trái đất này ở dạng ánh sáng phương bắc hoặc phương nam[cựcquang], chúng xuấthiện khicáchạt tíchđiện từ Mặttrời đếnvachạm vớitầngcaokhíquyển củatrái đất. Nhưngtrongkhônggianngoàikia, các hệ quả của “thời tiết vũ trụ” do Mặt trời gây rakhôngôn hòanhư vậy: cáchạt năng lượngcao, tia Xvà tia gammamà Mặt trời phát ra cóthể gây hủy hoại đối với các thiết bị điện tử nhạy, làm hỏngcác máyvi tínhvà có các tácđộng nguyhiểm (có lẽ khó tránh khỏi) đối với các nhà duhànhvũ trụ. Trongđa phần thời gian, bầu khí quyển và từ trườngcủaTrái đấtbảo vệ chúng ta khỏi những sự kiện dữ dội hơn xảy ra trong khí quyển mặttrời, thí dụ như các vụ nổ ở gần bề mặt thầnthái dương (gọi là các tai lửamặt trời)hay các đợt phuntrào củanhững bọt khí khổng lồ từ bên trongMặt trời (gọi là sự phun trào vậtchấtvành nhật hoa, hayCME). Tuy vậy, khi các hạt tích điện từ Mặt trời đến chạm tránvới từ trường của Trái đất, thì từ trườngTrái đất bị biến dạng và bị nén. Những sự thayđổi mậtđộ hạt tích điện trong tầng cao khí quyển cóthể tạo ra những hiệu ứng nổi bật. Sự truyền thông vô tuyến cóthể bị gián đoạn và, thỉnh thoảng,những sự thay đổi như vậy có thể cảm ứng những dòng điện nguy hại trong những đường dây truyềntải điện đườngxa,trong cáp điệnchôn dưới đất, và trong các đường ống dẫn dầu.Những tialửa khổng lồ có thể pháhủy cácmáy biến điện và làm tê liệt mạng lưới cấp điện. Nhưng giốngnhư màn trìnhdiễn cựcquang, các quátrình mặt trời gây ra thời tiết vũ trụ cũng đẹp mộtcách ngoạn mục. Ảnh bên dướicho thấy mộttai lửa hình vành phunlên từ bề mặt Thái dương, gửi một xungplasmalao nhanhra ngoài ở tốc độ khoảng 300 km/s.Trướckhi phuntrào,tai lửanày tồn tại dưới dạng một ống dài chất liệu từ tính, tươngđối nguội, ở ngay phía trên bề mặt khả kiến. Sau đó, nó bị mất ổn định bởi những cơ chế chưa được hiểu rõ hoàn toàn.Những cơ chế như vậy là quantrọngvì chúng cóthể tạo ra các CME, những vụ phun trào cóthể phóngthíchtới 10 tỉ tấn plasmanóng vào trong nhật quyển – cùngvới những hậu quả nghiêm trọng chobất kì vật nào, con người hay bất cứ thứ gì khác, nằm trên đườngđi củachúng. Một trong những mụctiêu chínhcủa sứ mệnh Đài thiên văn Động lực học Mặttrời (SDO) của NASAlà tìm hiểu các cơ chế mất ổn địnhnày. Để hiểu rõ thêm về chúng, vànhững hiện tượngdochúng tạo ra,chúng ta cần phải có thể quan sát các sự kiện mặt trời khichúngxảy ra.Điều này khôngdễ dàng gì.Các tai lửavà CME có thể xuất hiện bất kì nơi đâu, bất kì lúc nào, cho nên chúngta cần một hệ thống theo dõi có thể quan sáttoàn bộ bề mặt Thái dươngmột cách liêntục. Ngoài ra, các vụ nổ mặt trời thường diễn ranhanhchóng– tốc độ 1000 km/s không phải là hiếm –cho nên cácbức ảnh phải thu đượcở tốc độ và thời gian phơi sáng có thể thu lấysự phát triển của những sự kiện phức tạp này. Việc gửi dữ liệu từ quá nhiều hìnhảnh như vậy trở về Trái đất và sauđó phânphối đến cộng đồng khoa học cũng gặpkhó khăn. Cuối cùng, luôn có các trở ngại thườnggặp đi cùng với sự làm việc trong không gian: bạn chỉ phóng lên một lần,cho nên nếuthiết bị hoạt động, thìbạn không thể sửa nó được; toànbộ thiết bị phải càng nhẹ càngtốt vì tiêu tốn đến 200.000bảng Anhchomỗikilogramthiết bị phónglên; vàcácthiết bị nhạy cùngmáy vi tínhphải có thể trụ vữngvới thời tiết vũ trụ cực độ mà chúng muốn nghiêncứu, không có sự bảovệ của từ trường Trái đất. Hình 1. Các tai lửa đang phuntrào dữ dội của Mặt trời cóthể có nhữnghệ quả thực sự đối vớichúngta trênTrái đất – từ sự truyền thôngvô tuyến bị gián đoạn cho đếncác máy biến điện bị hỏng hóc. Tất cả những yếu tố này gây thách thức chonhững người trong chúngtôi phụ trách thiếtkế các thiếtbị trên SDO. Làsứ mệnh đầu tiên trongchươngtrình “Sống cùng một vì sao”của NASA, mụcđích của SDOlà giúp chúng ta hiểu rõ hơn các sự kiện mặt trời xảy ra như thế nào, thí dụ như tai lửa hìnhvành ở Hình 1,sự tác động lên nhật quyển và, đặc biệt, chúnggây ra thời tiếtvũ trụ như thế nào. Nhằmmục tiêu ấy, SDOđangđược xây dựng trênnhững sứ mệnh trước đây như SOHO vàSTEREO,tương ứng phóng lên quỹ đạo vào năm 1995và2006.Hai sứ mệnh này vẫn đang hoạt động,bổ sung thêm kiếnthức củachúngta về các sự kiện mặttrời bằngcách thu thậpthêmdữ liệu về vành nhật hoaphía ngoài và, trong trường hợp STEREO,cung cấp thêm các góc nhìn củanhững vụ phun trào mặt trời. Tương tự như vậy, TRACE, phóng lênvào năm 1996và đã ngừng hoạtđộng hồi tháng9, cungcấp các bức ảnh phângiải caocủa nhữngvùng chọn lọc của khí quyển mặt trời. Kết quả từ những sứ mệnh có trước này manglại một cái nhìn thoáng trêu ngươi của cáchthứcMặt trời hoạt động. Tuynhiên,sứ mệnh mới này sẽ cho chúng ta biết nhiềuvề Mặt trời hơn sovới các tiền bối của nó. Toàn bộ những ảnh chụp trướcđây của nhật hoa đều chịubahạn chế lớn. Một là chúng khôngkết hợp sự phân giải không gian cao với các quansát baoquát toàn bộ đĩa Mặt trời. Thứ hai, các thiết bị đó không thể chụp quá nhiềuhình ảnhnhanh liên tiếp nhau (gọilàhoạt động“cao phách”) docác hạn chế tốc độ gửi dữ liệu về Trái đất.Và cuối cùng, vì các thiết bị trước đâykhôngthể chụp các bức ảnhtrong một ngưỡng bướcsóng khác nhau, vàở tốc độ có sánh với sự phát triển nhật hoa, cho nên không thể phân biệt cácsự kiện quansát thấy là dosự nóng lên,nguội đi, hay làdo cácthay đổi mậtđộ. Bộ ba giám sát mặt trời SDO được phóng lên từ Trung tâm Vũ trụ Kennedy, vào hôm11/02 và được mang vào quỹ đạo địatĩnh, cách bề mặt Trái đất 36.000km,bởi tên lửa Atlas V. Ba thiết bị gắn trên tàuđược thiết kế để bổ sung chonhau. Máy ảnh Từ và Nhật quyển (HMI),do cácnhà nghiên cứu tại trường Đại học StanfordvàPhòng thí nghiệm Thiênvăn Vật lí Vũ trụ LockheedMartin (LMSAL)phát triển, sẽ nghiên cứu hànhvi của từ trườngở bề mặt Tháidương.Để thực hiện nghiên cứu này, mỗi 30sHMIsẽ lập bản đồ dòng chảyvật chất trên bề mặt thái dương. Nó cũnglập bản đồ từ trường “theohướng nhìn” trongmỗi45svà bản đồ vec-tơ từ trường trong mỗi 15 phút. Các bản đồ dòng chảy mặt chochúng ta suyluận ra một số cái đang diễn ra bên dưới bề mặt Thái dương,vì hìnhảnh dòng chảy mặt có thể tiết lộ hành trạng của từ trườngngaytrước khichúng xuất hiện ở bán cầu nhìnthấy. Trongkhiđó, các bản đồ vec-tơ từ trường, thể hiện hướngvà độ lớn của từ trường lóra từ bề mặtthái dương. Như với các bản đồ “theo hướng nhìn”, chúngcho ta biết từ thông theo hướng đổ về Trái đất. Vec-tơ trường thì mang lại nhiều thông tin hơn, nhưng các phép đo theohướngnhìnthì nhạy hơn. Hình 2. Bốn kính thiên văn và camera CCD củaBộ Ghi ảnh Khí quyển(AIA) gắn trên phithuyền Đài thiên văn Động lực học Mặt trời, chụp trong giai đoạn chuẩn bị cho chuyến bay. (Ảnh:NASA) Thiết bị thứ hai trênSDO là Bộ Ghi ảnh Khí quyển (AIA), cũng được phát triển tại LMSAL (hình2). Nhiệm vụ của nó là nghiêncứu nhật hoa mặt trời phản ứng như thế nào vớitừ trường mà HMI quansátthấy ở gần bề mặt Thái dương. Bốn chiếc kínhthiên văn của AIAhướng ánh sáng vào bốn cameraCCD, chúng chụp ảnh củabầu khíquyển Mặt trời ở những bướcsóng tương ứng với các trạng thái ionhóacủa sắt vàhelium, đồng thời làba dải phổ trong vùngtử ngoại. Dữ liệu từ các vạch quangphổ sắt cho phép chúng ta lập bản đồ nhiệt độ của nhậthoa trong một dải từ 700.000đến20.10 6 J, còn dữ liệuhelium khảo sát nhiệt độ từ 30.000 đến 100.000 K. Thiết bị cuối cùng gắntrênSDO là Thí nghiệm Tínhbiến thiên Tử ngoại Cực ngắn (EVE). Được phát triển bởi đội ngũ tại Phòngthí nghiệm Vật lí Vũ trụ và Khí quyển thuộc trường Đại học Colorado,EVE gồm một matrậnquangphổ kế đo suất phản chiếu toànphần của mặt trời trên cácbước sóng từ 0,1 đến 105nm.Vì EVE và AIA đang baycùngvới nhau,cho nên ngườita luôn cóthể kết hợp các thay đổi suất phản chiếu của Mặt trời với các sự kiện mặt trời đặc biệt, bằngcách sosánh khoảng cách thời gian của các biến thiên trong các phép đocủa EVEvới dữ liệu dải phổ trong các ảnh chụpcủa AIA. . Sống cùng một vì sao (Phần 1) Phóng lên quỹ đạo hồi tháng 2, dữ liệu thu về từ bộ thiết bị nhạy gắn trên Đài thiên. trong chúngtôi phụ trách thiếtkế các thiếtbị trên SDO. Làsứ mệnh đầu tiên trongchươngtrình Sống cùng một vì sao của NASA, mụcđích của SDOlà giúp chúng ta hiểu rõ hơn các sự kiện mặt trời xảy ra như. phânphối đến cộng đồng khoa học cũng gặpkhó khăn. Cuối cùng, luôn có các trở ngại thườnggặp đi cùng với sự làm việc trong không gian: bạn chỉ phóng lên một lần,cho nên nếuthiết bị hoạt động, thìbạn không