Các nhà khoa học đã tải ba sứ mệnh trị giá gần 1,6 tỷ đô la lên tên lửa SpaceX Falcon 9 để phóng vào thứ Tư, hướng đến quỹ đạo cách Trái Đất gần 1,6 triệu km, nhằm đo lường dòng hạt tích điện siêu âm phát ra từ Mặt Trời.
Một trong những sứ mệnh, từ Cơ quan Khí quyển và Đại dương Quốc gia (NOAA), sẽ truyền về các quan sát thời gian thực về gió mặt trời để cung cấp cảnh báo sớm về các cơn bão từ trường có thể ảnh hưởng đến lưới điện, thông tin liên lạc vô tuyến, định vị GPS, du lịch hàng không và hoạt động vệ tinh.
Hai sứ mệnh còn lại đến từ NASA, với các mục tiêu nghiên cứu bao gồm việc nghiên cứu ranh giới giữa Hệ Mặt Trời và không gian liên sao và quan sát lớp ngoài cùng hiếm khi được nhìn thấy của khí quyển hành tinh chúng ta.
Cả ba tàu vũ trụ đều được gắn lên đỉnh tên lửa Falcon 9 để cất cánh lúc 7:30 sáng EDT (11:30 UTC) vào thứ Tư từ Trung tâm Vũ trụ Kennedy của NASA ở Florida. Tên lửa bay theo quỹ đạo hướng đông từ Bờ biển Vũ trụ Florida, tách tầng đẩy đầu tiên có thể tái sử dụng để hạ cánh ngoài khơi, sau đó bắn động cơ tầng trên hai lần để đẩy bộ ba sứ mệnh vào không gian sâu.
Vài phút sau, mỗi tàu vũ trụ tách khỏi Falcon 9 để bắt đầu hành trình nhiều tháng hướng đến vị trí quan sát của chúng trong quỹ đạo halo xung quanh điểm L1 Lagrange, một điểm cân bằng hấp dẫn cách Trái Đất khoảng 1,45 triệu km về phía Mặt Trời. Lực kéo kết hợp từ Trái Đất và Mặt Trời tại vị trí này cung cấp một khu vực ổn định cho các vệ tinh hoạt động, và là một vị trí tốt cho các thiết bị được thiết kế cho khoa học mặt trời.
Nhìn Toàn Cảnh
Sứ mệnh chính được phóng vào thứ Tư được gọi là Thăm dò Lập bản đồ và Gia tốc Liên sao (IMAP). Tàu vũ trụ IMAP ổn định quay có hình dạng như một chiếc bánh donut, với đường kính khoảng 2,4 mét và 10 thiết bị khoa học nhìn vào trong về phía Mặt Trời và ra ngoài về phía rìa của quyển nhật, bong bóng từ trường hình giọt nước được thổi ra ngoài bởi gió mặt trời.
Ở rìa của quyển nhật, gió mặt trời va chạm với môi trường liên sao, khí, bụi và bức xạ trong không gian giữa các ngôi sao. Ranh giới này vẫn là một biên giới được hiểu kém trong khoa học vũ trụ, nhưng nó quan trọng vì quyển nhật bảo vệ Hệ Mặt Trời khỏi các tia vũ trụ thiên hà có hại.
"IMAP là một sứ mệnh của những điều đầu tiên," Nicky Fox, phó quản lý của ban chỉ đạo sứ mệnh khoa học NASA cho biết. "Nó sẽ là tàu vũ trụ đầu tiên dành riêng cho việc lập bản đồ ranh giới ngoài của quyển nhật, một mảnh ghép quan trọng trong câu đố vật lý nhật về ảnh hưởng của Mặt Trời đối với Hệ Mặt Trời của chúng ta. Để làm điều này, IMAP sẽ quay mỗi 15 giây để đo lường những thứ vô hình bằng cách sử dụng một bộ thiết bị cách mạng rất toàn diện."
Trong mỗi lần quay, các cảm biến của IMAP sẽ thu thập đủ loại thứ: các ion di chuyển 1,6 triệu km mỗi giờ trong gió mặt trời, các hạt bụi liên sao và các nguyên tử trung tính năng lượng cao bị đá trở lại Hệ Mặt Trời từ rìa của quyển nhật.
"Những nguyên tử trung tính năng lượng cao này hoạt động như những sứ giả vũ trụ," David McComas, nhà điều tra chính của IMAP từ Đại học Princeton cho biết. "Chúng không bị ảnh hưởng bởi từ trường nên chúng có thể lan truyền tất cả con đường từ các ranh giới đến quỹ đạo Trái Đất và được IMAP đo lường."
Theo dõi những nguyên tử trung tính năng lượng cao này sẽ cho phép các nhà khoa học lập bản đồ ranh giới của quyển nhật và những gì định hình nó. Chuyển động của Mặt Trời qua thiên hà Milky Way tạo thành một sóng xung kích ở mặt trước của quyển nhật, tương tự như sóng được tạo ra bởi mũi tàu di chuyển qua nước.
"Chúng tôi đã có được đài quan sát tuyệt vời này đo lường mọi thứ," McComas nói. "Các hạt đi ra từ Mặt Trời đang di chuyển ra ngoài trong gió mặt trời để đến quyển nhật ngoài. Một phần của chúng trở thành trung tính và quay trở lại, và chúng ta quan sát chúng vài năm sau đó như ENAs (nguyên tử trung tính năng lượng cao). Vì vậy, chúng ta thực sự đang quan sát toàn bộ chu kỳ sống của việc tăng năng lượng hạt này và cách nó tương tác tại các ranh giới của quyển nhật."
IMAP theo sau một sứ mệnh nhỏ hơn nhiều, có tên IBEX, chỉ mang hai thiết bị để bắt đầu thăm dò rìa của quyển nhật vào năm 2008. IBEX đã phát hiện ra một mẫu hình ruy băng bất ngờ của các phát xạ trung tính năng lượng cao đến từ phía trước của quyển nhật. Các nhà khoa học đã phát triển một số lý thuyết để giải thích chữ ký ruy băng. Một trong những lý thuyết cho rằng ruy băng đại diện cho một nhóm hạt bằng cách nào đó rò rỉ từ quyển nhật và nảy xung quanh không gian liên sao trước khi trở lại Hệ Mặt Trời.
"Người ta phát hiện ra rằng vật chất liên sao, hạt và trung tính chảy vào từ bên ngoài Hệ Mặt Trời, thực sự... có tác động đáng kể trong cách toàn bộ quyển nhật hoạt động," Shri Kanekal, nhà khoa học sứ mệnh IMAP tại Trung tâm Bay Vũ trụ Goddard của NASA cho biết.
Các khám phá của IBEX đã thúc đẩy sự nhiệt tình trong số các nhà khoa học vũ trụ cho một sứ mệnh theo dõi tinh vi hơn như IMAP. NASA đã chọn IMAP để phát triển vào năm 2018, và sứ mệnh 782 triệu đô la sẽ dành ít nhất hai năm tiến hành các quan sát khoa học. Tàu vũ trụ được xây dựng tại Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng Đại học Johns Hopkins ở Laurel, Maryland.
"Giá Trị To Lớn"
Hai năm sau khi NASA phê duyệt IMAP để phát triển, bộ phận vật lý nhật của cơ quan đã chọn một sứ mệnh khác để đi đến điểm L1 Lagrange. Tàu vũ trụ nhỏ hơn này, được gọi là Đài quan sát Geocorona Carruthers, đã đi nhờ vào không gian cùng với IMAP vào thứ Tư.
Sứ mệnh Carruthers 97 triệu đô la mang theo hai máy chụp ảnh tử ngoại đồng trục được thiết kế cho các quan sát đồng thời về quyển ngoài của Trái Đất, một đám mây khí hydro mỏng manh mờ dần thành khoảng không gian không khí của không gian ngoài khoảng nửa đường đến Mặt Trăng. Các nguyên tử hydro trong quyển ngoài tạo ra một ánh sáng mờ nhạt gọi là geocorona, chỉ có thể phát hiện được trong ánh sáng tử ngoại ở khoảng cách xa. Hình ảnh của toàn bộ geocorona không thể được thu thập từ một vệ tinh trong quỹ đạo Trái Đất.
Sứ mệnh được đặt tên theo George Carruthers, một kỹ sư và nhà vật lý mặt trời đã phát triển một camera tử ngoại được đặt trên Mặt Trăng bởi các phi hành gia Apollo 16 vào năm 1972. Camera này đã chụp được cảnh đầu tiên của geocorona, một thuật ngữ do chính Carruthers đặt ra.
Đài quan sát Carruthers nặng 241 kg được xây dựng bởi BAE Systems, với các thiết bị được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm Khoa học Vũ trụ của Đại học California Berkeley.
Có rất nhiều điều để các nhà khoa học học hỏi từ sứ mệnh Carruthers, bởi vì họ biết rất ít về quyển ngoài hoặc geocorona.
"Chúng ta thực sự không biết chính xác nó lớn như thế nào," Lara Waldrop, nhà điều tra chính của sứ mệnh từ Đại học Illinois Urbana-Champaign cho biết. "Chúng ta không biết liệu nó có hình cầu hay hình bầu dục, nó thay đổi bao nhiều theo thời gian hoặc thậm chí mật độ của các nguyên tử hydro cấu thành của nó."
Những gì các nhà khoa học biết là quyển ngoài đóng một vai trò quan trọng trong việc định hình cách các cơn bão mặt trời ảnh hưởng đến Trái Đất. Quyển ngoài cũng là con đường mà Trái Đất đang (rất) chậm mất hydro nguyên tử từ hơi nước được nâng cao vào khí quyển. "Quá trình này cực kỳ chậm ở Trái Đất, và tôi đang nói về hàng tỷ năm. Nó chắc chắn không có gì phải lo lắng," Waldrop đảm bảo.
Tàu vũ trụ cuối cùng trên chuyến phóng thứ Tư là vệ tinh hoạt động đầu tiên trên thế giới dành riêng cho việc giám sát thời tiết không gian. Sứ mệnh 692 triệu đô la này được gọi là Space Weather Follow On-L1, hoặc SWFO-L1, và phục vụ như một "đèn hiệu cảnh báo sớm" cho các tác động có thể tàn phá của các cơn bão từ trường, Irene Parker, phó trợ lý quản lý hệ thống tại Dịch vụ Vệ tinh, Dữ liệu và Thông tin Môi trường Quốc gia của NOAA cho biết.
Các vệ tinh trước đây của NOAA nhìn xuống Trái Đất từ quỹ đạo Trái Đất thấp hoặc quỹ đạo địa tĩnh, thu thập dữ liệu cho các mô hình thời tiết số và theo dõi chuyển động thời gian thực của các cơn bão và bão nghiêm trọng. Cho đến nay, NOAA đã dựa vào một tập hợp lộn xộn các vệ tinh nghiên cứu để giám sát gió mặt trời ở thượng lưu từ Trái Đất. SWFO-L1, cũng được xây dựng bởi BAE Systems, là sứ mệnh đầu tiên được thiết kế từ đầu cho các quan sát gió mặt trời thời gian thực, suốt ngày đêm.
"Chúng tôi sẽ sử dụng SWFO-L1 để mua cho các nhà vận hành lưới điện, hàng không và vệ tinh thời gian quý báu để hành động trước khi các cơn bão tỷ đô la tấn công," Clinton Wallace, giám đốc Trung tâm Dự báo Thời tiết Không gian của NOAA cho biết.
Khi đến trạm xung quanh điểm L1 Lagrange, vệ tinh sẽ được đổi tên thành SOLAR-1 trước khi NOAA tuyên bố nó hoạt động vào giữa năm 2026. Nền tảng này chứa bốn thiết bị, một trong số đó là kính nhật hoa để phát hiện các vụ phun trào lớn từ Mặt Trời gây ra các cơn bão từ trường. Các thiết bị khác sẽ lấy mẫu các hạt mặt trời khi chúng đi qua tàu vũ trụ khoảng nửa giờ trước khi chúng đến hành tinh của chúng ta.
Những thiết bị này giống như các vệ tinh thời tiết phát hiện sự hình thành của một cơn bão trên đại dương xa xôi và những người săn bão thực hiện các phép đo trực tiếp của cơn bão để đánh giá cường độ của nó trước khi đổ bộ, NOAA cho biết.
Việc gộp IMAP, Carruthers và SWFO-L1 vào cùng một tên lửa đã tiết kiệm ít nhất hàng chục triệu đô la chi phí phóng. Thông thường, chúng sẽ cần ba tên lửa khác nhau.
Các sứ mệnh chia sẻ chuyến đi đến quỹ đạo Trái Đất thấp đang trở nên phổ biến hơn, nhưng các tàu vũ trụ khởi hành đến các điểm đến xa hơn như điểm L1 Lagrange thì hiếm. Việc có được cả ba sứ mệnh trên cùng một lần phóng đòi hỏi kế hoạch rộng rãi, một chút may mắn và thời gian thuận lợi.
"Đây là chuyến xe chung vũ trụ tối thượng," Joe Westlake, giám đốc bộ phận vật lý nhật của NASA cho biết. "Ba sứ mệnh này đi ra điểm Sun-Earth L1 cùng nhau cung cấp giá trị to lớn cho người nộp thuế Mỹ."
"Nó giống như một chiếc xe buýt," Fox nói. "Bạn chờ một chiếc và sau đó ba chiếc đến cùng một lúc."
