Cần sớm phóng tàu vũ trụ ra khỏi nhật quyển, đến vùng liên sao

Mô phỏng nhật quyển do Mặt trời tạo ra và vị trí 2 tàu Voyager

Mặc dù có vai trò quan trọng, hình dạng thực sự của bong bóng nhật quyển vẫn là một câu đố bí ẩn. Ngay cả dữ liệu từ các sứ mệnh Voyager vốn là vật thể nhân tạo đi xa nhất cũng chưa khám phá được gì mà chỉ cho thấy sự phức tạp của nhật quyển. Các tàu thăm dò giữa các vì sao sắp tới nhằm mục đích khám phá thêm về khu vực bí ẩn này.

Lá chắn vũ trụ của hệ Mặt trời

Mặt trời không chỉ làm ấm Trái đất, khiến con người và động vật có thể sinh sống. Nó còn định hình một vùng không gian rộng lớn. Vùng này được gọi là nhật quyển, trải dài hơn một trăm lần khoảng cách giữa Mặt trời và Trái đất, ảnh hưởng đến mọi thứ bên trong nó.

Là một ngôi sao, Mặt trời liên tục phát ra một luồng các hạt tích điện gọi là gió mặt trời, một luồng plasma năng lượng lan ra theo mọi hướng. Cùng với luồng gió ổn định này, Mặt trời thỉnh thoảng giải phóng các luồng plasma mạnh được gọi là các vụ phun trào khối lượng vành nhật hoa, có thể góp phần tạo ra cực quang trên Trái đất. Các đợt bùng phát năng lượng mặt trời thường gây ra bão từ cũng rất nguy hiểm cho Trái đất. Nhưng không có gió Mặt trời thì Trái đất cũng lâm nguy.

Khi gió Mặt trời mở rộng, nó mang theo từ trường của Mặt trời, tạo ra nhật quyển. Bong bóng khổng lồ này tồn tại trong môi trường liên sao địa phương, chứa hỗn hợp plasma, các hạt trung tính và bụi lấp đầy không gian giữa các ngôi sao. Các nhà khoa học đang rất chú ý nghiên cứu cách nhật quyển tương tác với môi trường liên sao này.

Mọi thứ trong hệ Mặt trời của chúng ta – bao gồm 8 hành tinh, vành đai tiểu hành tinh giữa sao Hỏa và sao Mộc, Vành đai Kuiper bên ngoài sao Hải Vương, nơi có sao Diêm Vương – đều nằm trong nhật quyển. Bong bóng bảo vệ này lớn đến mức ngay cả các vật thể trong Vành đai Kuiper cũng gần hơn so với ranh giới gần nhất của nhật quyển.

Khi các ngôi sao xa xôi phát nổ, chúng giải phóng một lượng lớn bức xạ vào không gian liên sao dưới dạng các hạt năng lượng cao được gọi là tia vũ trụ. Các tia vũ trụ này có thể gây nguy hiểm cho các sinh vật sống và có thể làm hỏng các thiết bị điện tử và tàu vũ trụ.

Bầu khí quyển của Trái đất bảo vệ sự sống trên hành tinh này khỏi tác động của bức xạ vũ trụ. Còn ở vòng ngoài, nhật quyển đóng vai trò như một lá chắn vũ trụ che chở các hành tinh, trong đó có Trái đất khỏi hầu hết các bức xạ giữa các vì sao.

Ngoài bức xạ vũ trụ, các hạt trung tính và bụi liên tục chảy vào nhật quyển từ môi trường giữa các vì sao địa phương. Các hạt này có thể ảnh hưởng đến không gian xung quanh Trái đất và thậm chí có thể thay đổi cách gió mặt trời tiếp cận Trái đất.

Những bất định về cấu trúc của nhật quyển

Siêu tân tinh và môi trường giữa các vì sao cũng có thể ảnh hưởng đến nguồn gốc của sự sống và quá trình tiến hóa của con người trên Trái đất. Một số nhà nghiên cứu dự đoán rằng hàng triệu năm trước, nhật quyển đã tiếp xúc với một đám mây hạt lạnh và dày đặc trong môi trường liên sao sao khiến nhật quyển co lại đến mức đẩy Trái đất vào cảnh phải tiếp xúc với môi trường giữa các vì sao địa phương.

Thế nhưng, các nhà khoa học không biết hình dạng thực sự của nhật quyển ra làm sao. Các mô phỏng giả thuyết nó có dạng hình cầu, hình sao chổi và cả hình bánh sừng bò. Những dự đoán này có kích thước khác nhau gấp hàng trăm đến hàng nghìn lần khoảng cách từ Mặt trời đến Trái đất.

Tuy nhiên, các nhà khoa học đã định nghĩa hướng Mặt trời đang di chuyển là hướng "mũi" và hướng ngược lại là hướng "đuôi". Hướng mũi phải có khoảng cách ngắn nhất đến biên giới giới giữa nhật quyển và môi trường liên sao địa phương.

Chưa có tàu thăm dò nào từng quan sát nhật quyển từ bên ngoài hoặc lấy mẫu môi trường liên sao địa phương một cách chính xác. Làm như vậy có thể cho các nhà khoa học biết thêm về hình dạng của nhật quyển và sự tương tác của nó với môi trường liên sao địa phương, môi trường không gian bên ngoài nhật quyển.

Vào năm 1977, NASA đã phóng sứ mệnh Voyager: Hai tàu vũ trụ của họ bay qua sao Mộc, sao Thổ, sao Thiên Vương và sao Hải Vương được coi là phần ngoài thuộc hệ mặt trời. Các nhà khoa học đã xác định rằng sau khi quan sát những hành tinh khí khổng lồ này, các tàu thăm dò đã lần lượt đi qua nhật quyển và vào không gian liên sao lần lượt vào năm 2012 và 2018.

Voyager 1 và 2 là những tàu thăm dò duy nhất có khả năng vượt qua nhật quyển. Thế nhưng, chúng không còn có thể trả về dữ liệu cần thiết nữa vì các thiết bị của chúng dần hỏng hoặc tự cắt điện để tiết kiệm năng lượng.

Cần sớm phóng tàu thăm dò

Các tàu vũ trụ này vốn được thiết kế để nghiên cứu các hành tinh, không phải môi trường giữa các vì sao. Điều này có nghĩa là chúng không có các thiết bị phù hợp để thực hiện tất cả các phép đo về môi trường giữa các vì sao hoặc nhật quyển mà các nhà khoa học cần.

Đó là lúc cần phóng tàu thăm dò liên sao. Một tàu thăm dò được thiết kế để bay vượt qua vùng nhật quyển sẽ giúp các nhà khoa học hiểu được nhật quyển bằng cách quan sát nó từ bên ngoài.

Vì nhật quyển rất lớn, nên một tàu thăm dò sẽ mất hàng chục năm để đến được ranh giới. Và sau khi tàu thăm dò được phóng, tùy thuộc vào quỹ đạo, sẽ mất khoảng 50 năm hoặc hơn để đến được không gian giữa các vì sao.

NASA đang cân nhắc phát triển một tàu thăm dò giữa các vì sao. Tàu thăm dò này sẽ đo các trường plasma và từ trường trong môi trường giữa các vì sao và chụp ảnh nhật quyển từ bên ngoài. Để chuẩn bị, NASA đã khảo sát ý kiến từ hơn 1.000 nhà khoa học về tính chất của sứ mệnh mà họ nhen nhóm.

Theo khuyến nghị ban đầu, tàu thăm dò nên di chuyển theo quỹ đạo cách mũi nhật quyển khoảng 45 độ. Quỹ đạo này sẽ quay lại một phần đường đi của Voyager, đồng thời tiếp cận một số vùng không gian mới. Theo cách này, các nhà khoa học có thể nghiên cứu các vùng mới và thăm lại một số vùng không gian chưa được khám phá hoàn toàn.

Đường đi này sẽ chỉ cung cấp cho tàu thăm dò góc nhìn một phần của nhật quyển và không thể nhìn thấy đuôi nhật quyển, vùng mà các nhà khoa học ít biết nhất.

Trong đuôi nhật quyển, các nhà khoa học dự đoán rằng plasma trong nhật quyển hòa trộn với plasma trong môi trường liên sao. Điều này xảy ra thông qua một quá trình gọi là kết nối lại từ tính, cho phép các hạt tích điện chảy từ môi trường liên sao địa phương vào nhật quyển. Giống như các hạt trung tính đi vào qua mũi, các hạt này ảnh hưởng đến môi trường không gian bên trong nhật quyển.

Tuy nhiên, trong trường hợp này, các hạt có điện tích và có thể tương tác với từ trường của mặt trời và hành tinh. Mặc dù những tương tác này xảy ra ở ranh giới của nhật quyển, rất xa Trái đất, nhưng chúng cũng ảnh hưởng đến phân bố bên trong nhật quyển.

Trong một nghiên cứu được công bố trên Frontiers in Astronomy and Space Sciences, nghiên cứu viên về Khoa học và Kỹ thuật Khí hậu và Không gian Sarah A. Spitzer từ Đại học Michigan và các đồng nghiệp đã đánh giá 6 hướng phóng tiềm năng từ mũi đến đuôi của nhật quyển giả định. Họ thấy rằng thay vì phóng ra gần hướng mũi, việc đưa tàu di chuyển theo quỹ đạo giao với sườn nhật quyển về phía đuôi sẽ giúp ta có góc nhìn tốt nhất về hình dạng của nhật quyển.

Quỹ đạo theo hướng này sẽ mang đến cho các nhà khoa học một cơ hội độc đáo để nghiên cứu một vùng không gian hoàn toàn mới bên trong nhật quyển. Khi tàu thăm dò thoát khỏi nhật quyển vào không gian giữa các vì sao, nó sẽ hướng về nhật quyển từ bên ngoài theo một góc giúp các nhà khoa học có quan sát chi tiết hơn về hình dạng của nó, đặc biệt là ở vùng đuôi đang gây tranh cãi.

Cuối cùng, bất kể tàu thăm dò giữa các vì sao phóng theo hướng nào, thì kiến thức khoa học mà nó mang lại sẽ vô giá và thực sự mang tính bước ngoặt cho thiên văn học.

Anh Tú