Sống cùng một vì sao

- 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..
- Mặt trời của chúng ta trông xinh đẹp nhất tại thời khắc nguy hiểm nhất của nó.
- Nét đẹp đó có thể nhìn thấy từ trên Trái đất này ở dạng ánh sáng phương bắc hoặc phương nam [cực quang], chúng xuất hiện khi các hạt tích điện từ Mặt trời đến va chạm với tầng cao khí quyển của Trái đất.
- Nhưng trong không gian ngoài kia, các hệ quả của “thời tiết vũ trụ” do Mặt trời gây ra không ôn hòa như vậy:.
- các hạt năng lượng cao, tia X và tia gamma mà Mặt trời phát ra có thể gây hủy hoại đối với các thiết bị điện tử nhạy, làm hỏng các máy vi tính và có các tác động nguy hiểm (có lẽ khó tránh khỏi) đối với các nhà du hành vũ trụ..
- Trong đa phần thời gian, bầu khí quyển và từ trường của Trái đất bảo vệ chúng ta khỏi những sự kiện dữ dội hơn xảy ra trong khí quyển mặt trời, thí dụ như các vụ nổ ở gần bề mặt thần thái dương (gọi là các tai lửa mặt trời) hay các đợt phun trào của những bọt khí khổng lồ từ bên trong Mặt trời (gọi là sự phun trào vật chất vành nhật hoa, hay CME).
- Tuy vậy, khi các hạt tích điện từ Mặt trời đến chạm trán với từ trường của Trái đất, thì từ trường Trái đất bị biến dạng và bị nén.
- Những sự thay đổi mật độ hạt tích điện trong tầng cao khí quyển có thể tạo ra những hiệu ứng nổi bật.
- Sự truyền thông vô tuyến có thể 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 truyền tải điện đường xa, trong cáp điện chôn dưới đất, và trong các đường ống dẫn dầu.
- Những tia lửa khổng lồ có thể.
- Nhưng giống như màn trình diễn cực quang, các quá trình mặt trời gây ra thời tiết vũ trụ cũng đẹp một cách ngoạn mục.
- Ảnh bên dưới cho thấy một tai lửa hình vành phun lên từ bề mặt Thái dương, gửi một xung plasma lao nhanh ra ngoài ở tốc độ khoảng 300 km/s.
- Trước khi phun trào, tai lửa này tồn tại dưới dạng một ống dài chất liệu từ tính, tương đối nguội, ở ngay phía trên bề mặt khả kiến..
- Những cơ chế như vậy là quan trọng vì chúng có thể tạo ra các CME, những vụ phun trào có thể phóng thích tới 10 tỉ tấn plasma nóng vào trong nhật quyển – cùng với những hậu quả nghiêm trọng cho bất kì vật nào, con người hay bất cứ thứ gì khác, nằm trên đường đi của chúng..
- Một trong những mục tiêu chính của sứ mệnh Đài thiên văn Động lực học Mặt trời (SDO) của NASA là tìm hiểu các cơ chế mất ổn định này.
- Để hiểu rõ thêm về chúng, và những hiện tượng do chúng tạo ra, chúng ta cần phải có thể quan sát các sự kiện mặt trời khi chúng xảy ra.
- Các tai lửa và CME có thể xuất hiện bất kì nơi đâu, bất kì lúc nào, cho nên chúng ta cần một hệ thống theo dõi có thể quan sát toàn bộ bề mặt Thái dương một cách liên tục.
- Ngoài ra, các vụ nổ mặt trời thường diễn ra nhanh chóng – tốc độ 1000 km/s không phải là hiếm – cho nên các bức ảnh phải thu được ở tốc độ và thời gian phơi sáng có thể thu lấy.
- sự phát triển của những sự kiện phức tạp này.
- Việc gửi dữ liệu từ quá nhiều hình ảnh như vậy trở về Trái đất và sau đó phân phối đến cộng đồng khoa học cũng gặp khó khăn.
- Cuối cùng, luôn có các trở ngại thường gặp đi cùng với sự làm việc trong không gian: bạn chỉ phóng lên một lần, cho nên nếu thiết bị hoạt động, thì bạn không thể sửa nó được;.
- và các thiết bị nhạy cùng máy vi tính phải có thể trụ vững với thời tiết vũ trụ cực độ mà chúng muốn nghiên cứu, không có sự bảo vệ của từ trường Trái đất..
- Các tai lửa đang phun trào dữ dội của Mặt trời có thể có những hệ quả thực sự đối với chúng ta trên Trái đất – từ sự truyền thông vô tuyến bị gián đoạn cho đến các máy biến điện bị hỏng hóc..
- Tất cả những yếu tố này gây thách thức cho những người trong chúng tôi phụ trách thiết kế các thiết bị trên SDO.
- “Sống cùng một vì sao” của NASA, mục đích của SDO là giúp chúng ta hiểu rõ hơn các sự kiện mặt trời xảy ra như thế nào, thí dụ như tai lửa hình vành ở Hình 1, sự tác động lên nhật quyển và, đặc biệt, chúng gây ra thời tiết vũ trụ như thế nào.
- Hai sứ mệnh này vẫn đang hoạt động, bổ sung thêm kiến thức của chúng ta về các sự kiện mặt trời bằng cách thu thập thêm dữ liệu về vành nhật hoa phía ngoài và, trong trường hợp STEREO, cung cấp thêm các góc nhìn của những vụ phun trào mặt trời..
- các bức ảnh phân giải cao của những vùng chọn lọc của khí quyển mặt trời..
- Kết quả từ những sứ mệnh có trước này mang lại một cái nhìn thoáng trêu ngươi của cách thức Mặt trời hoạt động.
- Tuy nhiên, sứ mệnh mới này sẽ cho chúng ta biết nhiều về Mặt trời hơn so với các tiền bối của nó.
- Một là chúng không kết hợp sự phân giải không gian cao với các quan sát bao quát toàn bộ đĩa Mặt trời.
- Thứ hai, các thiết bị đó không thể chụp quá nhiều hình ảnh nhanh liên tiếp nhau (gọi là hoạt động “cao phách”) do các hạn chế tốc độ gửi dữ liệu về Trái đất.
- Và cuối cùng, vì các thiết bị trước đây không thể chụp các bức ảnh trong một ngưỡng bước sóng khác nhau, và ở tốc độ có sánh với sự phát triển nhật hoa, cho nên không thể phân biệt các sự kiện quan sát thấy là do sự nóng lên, nguội đi, hay là do các thay đổi mật độ..
- Bộ ba giám sát mặt trời.
- SDO được phóng lên từ Trung tâm Vũ trụ Kennedy, vào hôm 11/02 và được mang vào quỹ đạo địa tĩnh, cách bề mặt Trái đất 36.000 km, bởi tên lửa Atlas V.
- Ba thiết bị gắn trên tàu được thiết kế để bổ sung cho nhau.
- Máy ảnh Từ và Nhật quyển (HMI), do các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Stanford và Phòng thí nghiệm Thiên văn Vật lí Vũ trụ Lockheed Martin (LMSAL) phát triển, sẽ nghiên cứu hành vi của từ trường ở bề mặt Thái dương.
- Để thực hiện nghiên cứu này, mỗi 30s HMI sẽ lập bản đồ dòng chảy vật chất trên bề mặt thái dương.
- Các bản đồ dòng chảy mặt cho chúng ta suy luận ra một số cái đang diễn ra bên dưới bề mặt Thái dương, vì hình ảnh dòng chảy mặt có thể tiết lộ hành trạng của từ trường ngay trước khi chúng xuất hiện ở bán cầu nhìn thấy.
- Trong khi đó, các bản đồ vec-tơ từ trường, thể hiện hướng và độ lớn của từ trường ló ra từ bề mặt thái dương.
- Thiết bị thứ hai trên SDO là Bộ Ghi ảnh Khí quyển (AIA), cũng được phát triển tại LMSAL (hình 2)..
- Nhiệm vụ của nó là nghiên cứu nhật hoa mặt trời phản ứng như thế nào với từ trường mà HMI quan sát thấy ở gần bề mặt Thái dương.
- thiên văn của AIA hướng ánh sáng vào bốn camera CCD, chúng chụp ảnh của bầu khí quyển Mặt trời ở những bước sóng tương ứng với các trạng thái ion hóa của sắt và helium, đồng thời là ba dải phổ trong vùng tử ngoại.
- Dữ liệu từ các vạch quang phổ sắt cho phép chúng ta lập bản đồ nhiệt độ của nhật hoa trong một dải từ 700.000 đến 20.10 6 J, còn dữ liệu helium khảo sát nhiệt độ từ 30.000 đến 100.000 K..
- Bốn kính thiên văn và camera CCD của Bộ Ghi ảnh Khí quyển (AIA) gắn trên phi thuyền Đài thiên văn Động lực học Mặt trời, chụp trong giai đoạn chuẩn bị cho chuyến bay..
- Thiết bị cuối cùng gắn trên SDO là Thí nghiệm Tính biến thiên Tử ngoại Cực ngắn (EVE).
- Colorado, EVE gồm một ma trận quang phổ kế đo suất phản chiếu toàn phần của mặt trời trên các bước sóng từ 0,1 đến 105 nm.
- Vì EVE và AIA đang bay cùng với nhau, cho nên người ta luôn có thể kết hợp các thay đổi suất phản chiếu của Mặt trời với các sự kiện mặt trời đặc biệt, bằng cách so sánh khoảng cách thời gian của các biến thiên trong các phép đo của EVE với dữ liệu dải phổ trong các ảnh chụp của AIA..
- Xử lí dữ liệu.
- Quỹ đạo địa tĩnh của đài thiên văn trên, chẳng hạn, mang lại hai lợi thế lớn để nghiên cứu Mặt trời.
- chúng ta chỉ chặn mất ánh sáng Mặt trời trong một giờ mỗi ngày – và thậm chí chỉ trong những khoảng thời gian hai ngày, hai tuần mỗi năm, vào tháng 9 và tháng 3.
- Thứ hai, quỹ đạo địa tĩnh có nghĩa là phi thuyền SDO luôn luôn có độ cao không đổi, nên nó có thể truyền dữ liệu và nhận lệnh liên tục từ một trạm mặt đất ở gần White Sands ở New Mexico..
- Việc liên lạc liên tục với trạm mặt đất là thiết yếu đối với SDO, nhờ hoàn toàn vào khối dữ liệu mà nó tạo ra.
- Vì số photon có thể phát hiện ra trong một lần phơi sáng tỉ lệ với cỡ pixel, nên các CCD trên AIA có một ngưỡng động lớn – từ 1 đến 10.000.
- Điều này thật tuyệt vời cho việc bao quát ngưỡng rộng cường độ trong một tai lửa mặt trời, nhưng nó cũng có nghĩa là mỗi ảnh chứa một phần tư terabit dữ liệu.
- Thật vậy, tổng lượng dữ liệu gửi từ AIA và HMI đến trạm mặt đất New Mexico là khoảng 1,8 terabyte mỗi ngày, hay 67 megabit mỗi giây.
- Để hình dung cỡ dữ liệu trên, bạn hãy xem mỗi ảnh sẽ chứa đầy 6,25 đĩa DVD, cho nên sẽ mất khoảng 540.000 đĩa DVD để chứa toàn bộ hình ảnh thu được trong một ngày..
- Tốc độ dữ liệu cao như vậy có sự tác động lớn đối với thiết kế của Trung tâm Điều hành Khoa học cho HMI và AIA (EVE, với tốc độ dữ liệu nhỏ hơn nhiều, có trung tâm dữ liệu riêng của nó), hệ thống phân phối dữ liệu và hệ thống mà phần còn lại của cộng đồng khoa học sử dụng để truy xuất dữ liệu trên.
- Đặc điểm vừa nói tới này đặc biệt quan trọng, nếu bạn hỏi một nhà khoa học xem họ muốn thấy dữ liệu gì, thì phản ứng đầu tiên của họ luôn là “Tất cả chúng!” Thật không may, sự thật đáng sợ là mỗi khi các hình ảnh không bị nén, thì chỉ riêng AIA đã tạo ra khoảng 3,5 terabyte dữ liệu mỗi ngày – tương đương với việc tải xuống khoảng 700.000 bài hát MP3 chất lượng cao..
- Để tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà khoa học nghiên cứu mặt trời, một số tiện ích đã được phát triển cho phép họ khai thác kho dữ liệu SDO góp.
- Thí dụ, một số câu hỏi mà các nhà khoa học đang nghiên cứu là các tai lửa có xuất hiện cùng với CME hay không, những loại tai lửa nào xuất hiện cùng với những đặc trưng riêng biệt trong phổ EVE, và có những quan hệ thống kê gì giữa sự phun trào vật chất dạng sợi tóc và các cấu hình từ trường.
- Chúng tôi còn sáng tạo ra một trình xem dữ liệu, cho phép các nhà khoa học xem xét kho tài nguyên với dữ liệu nén.
- Điều này làm giảm đáng kể số lượng dữ liệu phải thu thập các phép đánh giá khoa học chính xác có thể bắt đầu.
- Các công cụ xử lí khác bao gồm một trang web “Sun Today” (sdowww.lmsal.com) trưng bày các mẫu ảnh AIA và từ phổ HMI, cập nhật mỗi 5 phút một lần, cùng các phim quay hàng ngày của các sự kiện mặt trời..
- Cái chúng tôi đang tìm hiểu.
- Hồi cuối tháng ba, chúng tôi đã mở kính thiên văn AIA lần đầu tiên.
- Tất cả các bộ lọc tinh vi phía trước đều sống sót sau đợt phóng tên lửa và tất cả các thiết bị đều hoạt động tốt.
- Vài ngày sau khi chúng tôi bắt đầu thu thập dữ liệu, Mặt trời đã tặng chúng tôi một tai lửa phun trào khổng lồ ở phía đông của nó – một sự khởi đầu tuyệt vời cho sứ mệnh 5 năm theo kế hoạch của chúng tôi..
- Kể từ đó, chúng tôi đã quan sát Mặt trời hầu như liên tục, với chỉ vài gián đoạn ngắn hạn để điều chỉnh.
- Trong thời kì này, Mặt trời đã trình hiện trước chúng tôi một số CME, các phun trào dạng sợi, những tai lửa nhỏ và thậm chí một vài tai lửa trung bình lớn.
- Kết quả là chúng tôi hiện đang bắt đầu đánh giá xem bao nhiêu phần Mặt trời bị tác động bởi sự sắp xếp lại từ tính trong một vùng rất cục bộ.
- Thí dụ, những khu vực không có các vết đen có thể tạo ra các nhiễu loạn tác động đến 30-60% bề mặt nhìn thấy..
- Khi thu lấy những sự kiện như vậy, một phần diện mạo khuếch tán của chúng gây ra bởi vệt chuyển động.
- Sự phơi sáng 30s tiêu biểu của phi thuyền trước đây gây ra sự nhòe ảnh nhiều gấp 5 lần hoặc hơn nữa và làm cho sự kiện xuất.
- hiện yếu đi 25 lần – trên thực tế, yếu đến mức sự kiện không thể nào phát hiện ra được.
- Chúng tôi cũng nhìn thấy các dạng sóng chuyển động cùng với các đường sức từ ở tốc độ 1000-2000 km/s khi sự kiện tai lửa phát triển.
- Những sóng lan nhanh này chưa bao giờ được trông thấy trước đây và chúng tôi không biết cơ chế nào tạo ra chúng hoặc vai trò của chúng trong quá trình tai lửa..
- Bản đồ nhiệt độ màu giả lập của bề mặt Mặt trời, tạo ra bằng cách kết hợp nhiều ảnh bội mà AIA chụp được.
- Mặc dù một số dữ liệu này được xử lí tốt hơn dưới dạng số, nhưng các ảnh chụp nhiệt độ bội mà AIA thực hiện cũng có thể kết hợp để tạo ra một vài loại bản đồ nhiệt độ màu giả lập, giống như bản đồ trên hình 3.
- Phim quay của những bản đồ màu như vậy cho phép các nhà khoa học mặt trời nghiên cứu sự tiến triển nhiệt độ khi Mặt trời im ắng, cũng như khi nó hoạt động.
- Những đoạn phim này cung cấp bức tranh trực quan của các mối tương quan giữa các sự kiện trên Mặt trời ở khá xa nhau.
- Trong hàng thập kỉ, đã có các tranh luận về tai lửa hay sự phun trào dạng sợi có thể gây ra những sự kiện xa xôi khác..
- Giờ thì chỉ sau vài tháng quan sát, các đoạn phim AIA đã xác lập rõ ràng tính nhân quả trên khoảng cách cỡ đường kính một mặt trời hoặc lớn hơn.
- Mặc dù hiện tại chúng ta đang trải qua kì cực tiểu sâu sắc nhất của hoạt động mặt trời trong hơn một thế kỉ, nhưng Mặt trời vẫn nói với chúng ta rất nhiều điều..
- Kính thiên văn AIA: thách thức bậc bốn Đài thiên văn Động lực học Mặt trời của NASA mang theo ba thiết bị, một trong số chúng là Bộ Ghi ảnh Khí quyển (AIA).
- Việc thiết kế bốn chiếc kính thiên văn của nó mang lại trước mắt chúng ta bốn thách thức chính, khó khăn hàng đầu là do bản thân ánh sáng mặt trời gây ra.
- Lượng ánh sáng đi tới một.
- kênh tử ngoại cực ngắn (EUV) tiêu biểu yếu hơn một tỉ lần so với ánh sáng mặt trời rơi lên phía trước chiếc kính thiên văn.
- Để loại bỏ ánh sáng khả kiến, phía trước của mỗi kênh EUV được tráng một lớp kim loại lọc chỉ dày 150 nm, hoặc khoảng 0,2%.
- đường kính của một sợi tóc người – đủ dày để chặn ánh sáng khả kiến, nhưng đủ mỏng cho ánh sáng EUV mong muốn đi qua..
- Những khung này phải đủ cứng để sống sót qua các dao động và biến thiên áp suất mà chúng chịu trong lúc phóng tên lửa, nhưng chúng không thể chặn một phần đáng kể ánh sáng EUV..
- Hình ảnh bên dưới thể hiện một trong nhiều bộ lọc đã thất bại trong khi chúng tôi thử nghiệm các thiết kế khác nhau để xác định xem mẫu nào sống sót trong môi trường phóng..
- Thách thức thứ hai là đảm bảo rằng ánh sáng EUV sẽ bị phản xạ khỏi các gương của kính thiên văn..
- Ánh sáng EUV không phản xạ khỏi một lớp bạc hay nhôm theo yêu cầu của gương của kính thiên văn ánh sáng khả kiến, cho nên thay vì thế chúng ta phải tráng gương bằng một loạt lớp chất silicon và molybdenum mỏng xen kẽ.
- Các gương còn phải có hình dạng thích hợp, và vì bước sóng của ánh sáng EUV quá ngắn, cho nên chúng phải cực kì nhẵn, với các biến thiên căn quân phương khoảng 0,3 nm..
- Thách thức thứ ba là ánh sáng EUV dễ dàng bị hấp thụ bởi các tạp chất như các hợp chất silicon và hydrocarbon dùng để giữ kính thiên văn AIA lại với.
- Một lớp tráng tạp chất chỉ sâu 50 nm sẽ đủ để làm độ truyền qua của kính đi 50%, và các kính thiên văn AIA có 11 mặt khác nhau trong đó những tạp chất như vậy có thể được đưa vào, bao gồm cả các bộ lọc bội, gương sơ cấp và gương thứ cấp của kính, và bề mặt của chính camera CCD.
- Điều này có nghĩa là chưa tới 5 nm tạp chất có thể cho phép thu thập trên bất cứ bề mặt nào, hoặc trong quá trình chế tạo, hoặc từ khí thải của các thành phần sau khi AIA đi vào quỹ đạo..
- Mỗi pixel trên các camera CCD của AIA thu gom ánh sáng từ một hình nón rộng khoảng 0,6 giây cung, tương ứng với khoảng 730 km tại tâm của đĩa mặt trời.
- Để tạo ra những hình ảnh sắc nét, chuyển động do phi thuyền gây ra phải hạn chế với khoảng 0,2 giây cung, hoặc khoảng 14 km trên bề mặt thái dương.
- Điều này đòi hỏi một hệ thống cân bằng hoạt tính, trong đó các tín hiệu sinh ra bởi bản thân các kính thiên văn dùng đẻ điều khiển góc của các gương thứ cấp gắn trên các đầu đọc áp điện