Mặt trời là thiên thể chói sáng nhất trong mắt con người và là nguồn gốc sinh trưởng của vạn vật trên trái đất. Nó mang đến cho chúng ta mùa xuân tươi sáng, hoa vào mùa hè, trái cây dồi dào vào mùa thu và tuyết rơi vào mùa đông. Mặt trời làm cho thế giới của chúng ta tràn đầy sức sống và đầy màu sắc. Tuy nhiên, điều mà nhiều người không biết là mặt trời đôi khi có thể mang đến thảm họa cho nhân loại.
Vào khoảng 2 giờ sáng ngày 13 tháng 3 năm 1989, người dân ở Quebec, Canada đột nhiên phát hiện ra tình trạng mất điện. Hệ thống điều hòa, hệ thống sưởi, thang máy, đèn chiếu sáng, tàu điện ngầm, tàu hỏa và sân bay đều ngừng hoạt động, thậm chí cả bàn phẫu thuật trong bệnh viện cũng tối đen như mực. Việc đình chỉ kéo dài trong 12 giờ, gần 6 triệu người phải chịu đựng cái lạnh khắc nghiệt âm 20 độ C, và nhiều người đã thiệt mạng. Sự cố mất điện ảnh hưởng đến Quebec và các khu vực xung quanh ở Bắc Mỹ. Sau đó, người ta phát hiện ra rằng thảm họa này bắt nguồn từ hai đợt bùng phát mạnh xảy ra trên mặt trời cách đây 3 hoặc 4 ngày, vào ngày 9 và 10 tháng 3 năm đó. Một lượng lớn các cụm plasma được phóng ra với tốc độ cao, hòa vào nhau tạo thành dòng điện và tác động vào từ trường của Trái Đất. Các dòng điện cảm ứng bổ sung được tạo ra trong lưới điện Bắc Mỹ, khiến lưới điện bị quá tải nghiêm trọng, làm cháy máy biến áp và các thiết bị khác, dẫn đến tình trạng mất điện trên diện rộng.
Vào lễ Halloween năm 2003, một loạt các đợt bùng phát năng lượng mặt trời đã gây hư hại cho một số vệ tinh khoa học ở Châu Âu, Hoa Kỳ và đất nước tôi, làm gián đoạn thông tin liên lạc vệ tinh toàn cầu, gây ra sai lệch nghiêm trọng trong định vị GPS và làm tê liệt một số hệ thống giao thông đòi hỏi thông tin liên lạc và định vị tức thời ở các mức độ khác nhau. Sự kiện này được lịch sử gọi là "Cơn bão Halloween". Bão mặt trời có tác động phá hoại rất mạnh đến các hệ thống công nghệ cao như hàng không, thông tin liên lạc và định vị vệ tinh hàng không vũ trụ, hoạt động lưới điện lớn và an ninh của các quốc gia lớn. Cách dự đoán đáng tin cậy sự xuất hiện của bão Mặt Trời đặc biệt quan trọng đối với xã hội ngày nay vốn phụ thuộc rất nhiều vào các hệ thống công nghệ cao nêu trên.
Hình 1: Sơ đồ của một cơn bão mặt trời
Cho dù đó là một vụ bùng phát năng lượng mặt trời hay sự phóng vật chất vành nhật hoa, thì về cơ bản nó đều bắt nguồn từ từ trường mặt trời. Sự thay đổi từ trường của mặt trời không chỉ có thể tạo ra các vết đen mặt trời trong quang quyển mặt trời mà còn kích hoạt sự xuất hiện của các đợt bùng phát mặt trời và các vụ phun trào vật chất vành nhật hoa. Để nghiên cứu nguồn gốc và mô hình xảy ra của bão Mặt Trời, các nhà khoa học đã phát triển và chế tạo nhiều loại kính viễn vọng Mặt Trời trên mặt đất hoặc trên không gian. Trong số đó, kính viễn vọng mặt trời trên mặt đất có chi phí tương đối thấp, dễ bảo trì và vận hành. Ví dụ, Kính viễn vọng từ trường mặt trời tại Đài quan sát mặt trời Huairou thuộc Đài quan sát thiên văn quốc gia thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, Máy quang phổ vô tuyến mặt trời MUSER tại Đài quan sát Mingantu và kính viễn vọng mặt trời chân không một mét NVST tại Đài quan sát Vân Nam trên bờ hồ Fuxian. Tuy nhiên, một mặt, do ảnh hưởng của sự quay của Trái Đất, kính thiên văn mặt đất chỉ có thể quan sát vào ban ngày. Mặt khác, do sự hấp thụ, che chắn và giao thoa của bầu khí quyển Trái Đất nên không thể quan sát được Mặt Trời ở nhiều dải tần như dải cực tím và dải tia X. Do đó, kính viễn vọng mặt trời không gian đã trở thành công cụ quan trọng nhất giúp con người nghiên cứu và theo dõi mặt trời. Kể từ những năm 1960, các quốc gia trên thế giới đã phóng hơn 70 vệ tinh quan sát mặt trời. Năm 2018, tàu thăm dò Mặt Trời Parker của Hoa Kỳ đã được phóng vào không gian, quan sát và nghiên cứu Mặt Trời ở khoảng cách gần chưa từng có và đạt được nhiều kết quả khoa học. Tuy nhiên, Trung Quốc, với tư cách là một cường quốc vũ trụ, vẫn chưa thực hiện chuyến du hành vào không gian để khám phá mặt trời và bầu trời!
Hình 2: Các căn cứ quan sát mặt trời chính của đất nước tôi
Đài quan sát Mặt trời Tiên tiến trên Không gian (ASO-S), một trong những dự án ưu tiên chiến lược của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, sẽ được phóng lên vũ trụ vào khoảng cuối năm 2021, qua đó lấp đầy khoảng trống trong hoạt động khám phá Mặt trời và bầu trời của Trung Quốc. "Đài quan sát Mặt trời trên không gian tiên tiến" sẽ mang theo ba thiết bị, cụ thể là máy đo từ trường vectơ toàn đĩa để quan sát từ trường mặt trời, máy ảnh tia X cứng để quan sát hiện tượng phi nhiệt của các vụ phun trào bùng phát Mặt trời và Kính viễn vọng Mặt trời Lyman-Alpha để quan sát các vụ phóng vật chất vành nhật hoa.
Ngoài những tính năng kết hợp của cả ba nhạc cụ, mỗi nhạc cụ đều có những đặc điểm riêng. Ví dụ, máy ảnh từ vectơ toàn đĩa có độ phân giải thời gian tương đối cao; máy ảnh tia X cứng có 99 máy dò, là số lượng kính thiên văn tương tự lớn nhất thế giới; và Kính viễn vọng Mặt trời Lyman-Alpha hoạt động trong một trong những cửa sổ băng tần quan sát mới nhất trên thế giới.
Để phát triển các thiết bị phát hiện nêu trên, cần phải khắc phục rất nhiều vấn đề kỹ thuật quan trọng. Ví dụ, 99 đầu dò của máy chụp X-quang cứng tương đương với 99 mắt nhỏ, có mặt trước là các lưới kim loại cứng. Các photon tia X cần phải đi qua các khe hở trong các mạng lưới. Khoảng cách hẹp nhất chỉ là 18 micron, mỏng hơn cả sợi tóc. Quá trình xử lý này rất khó khăn và các yếu tố như giãn nở và co lại vì nhiệt, môi trường không gian khắc nghiệt và quá trình phóng cần được xem xét toàn diện. Kính thiên văn mặt trời Lyman-Alpha là một cửa sổ quan sát hoàn toàn mới ở cả trong và ngoài nước. Không có tiền lệ nào để học hỏi và mọi thứ cần phải được khám phá từ đầu.
Đài quan sát Mặt trời Tiên tiến trên Không gian sẽ hoạt động trên quỹ đạo đồng bộ với Mặt trời, cách bề mặt Trái đất 720 km. Quỹ đạo đi qua Cực Bắc và Cực Nam của Trái Đất và có độ nghiêng 98 độ, đảm bảo quan sát Mặt Trời liên tục 24 giờ một ngày. Dự kiến nó sẽ ở trên quỹ đạo trong ít nhất bốn năm. Giai đoạn này trùng hợp là năm đỉnh điểm của chu kỳ hoạt động mặt trời lần thứ 25. Các quan sát và nghiên cứu đa băng tần, chất lượng cao sẽ được tiến hành về các hoạt động phun trào năng lượng mặt trời mạnh trong giai đoạn này để cung cấp cơ sở đáng tin cậy cho việc dự đoán các sự kiện thời tiết vũ trụ thảm khốc.
Trên thực tế, mặt trời chỉ là một ngôi sao bình thường trong số hàng tỷ ngôi sao trên bầu trời đầy sao bao la. Lý do tại sao nó chói lọi nhất đơn giản là vì nó ở gần chúng ta nhất. Do đó, đây cũng là mẫu sao mà chúng tôi quan sát cẩn thận nhất và có độ phân giải không gian cao nhất. Đây cũng là quả cầu lửa plasma lớn nhất trong không gian mà chúng ta có thể quan sát chi tiết. Nó có thể đóng vai trò như một phòng thí nghiệm tự nhiên cho vật lý thiên văn hiện đại và vật lý plasma. Các quan sát mặt trời đa băng tần, có độ phân giải cao sẽ thúc đẩy đáng kể sự phát triển của các ngành như vật lý thiên văn và vật lý plasma cơ bản, đồng thời có cơ hội cho những khám phá khoa học lớn ở đây.
Hình 3: Các máy dò chính trên Đài quan sát Mặt trời Tiên tiến trên Không gian của đất nước tôi
Trong một thời gian dài, tổng số bài báo nghiên cứu vật lý mặt trời của nước tôi đứng thứ hai thế giới, nhưng hầu hết chúng đều dựa vào dữ liệu quan sát do các vệ tinh quan sát mặt trời của châu Âu và Mỹ cung cấp, ở một mức độ nào đó đã tạo nên vấn đề "thắt cổ chai". Bởi vì mức độ nghiên cứu và quan sát vật lý mặt trời có liên quan trực tiếp đến khả năng dự báo thời tiết vũ trụ, và việc dự báo thời tiết vũ trụ có liên quan đến một loạt các nhu cầu quốc gia quan trọng như hàng không, thông tin liên lạc và dẫn đường vệ tinh hàng không vũ trụ, và an ninh quốc gia. Nếu chúng ta không có hệ thống dữ liệu quan sát độc lập, một khi các cường quốc châu Âu và Mỹ đóng cửa dữ liệu quan sát liên quan với chúng ta, nhiều hệ thống công nghệ cao của chúng ta sẽ phải đối mặt với nguy cơ tê liệt. Sau khi "Đài quan sát Mặt trời không gian tiên tiến" được phóng lên vũ trụ, kết hợp với một loạt thiết bị quan sát Mặt trời trên mặt đất, chúng ta không chỉ có dữ liệu quan sát Mặt trời đa băng tần độc lập, trực tiếp, đột phá nguy cơ bị kẹt mà còn đóng góp sức mạnh của Trung Quốc vào nghiên cứu thiên văn quốc tế.
Sau "Đài quan sát Mặt trời không gian tiên tiến", các nhà khoa học Trung Quốc sẽ tiếp tục thúc đẩy một loạt các chương trình thám hiểm Mặt trời trên mặt đất và trong không gian mới nhất trong hành trình khám phá Mặt trời và bầu trời, để đất nước tôi hoàn toàn thoát khỏi sự phụ thuộc vào các cường quốc châu Âu và châu Mỹ, thực sự trở thành cường quốc hàng không vũ trụ thế giới.
Tác giả: Tan Baolin, Đài quan sát thiên văn quốc gia, Viện Hàn lâm khoa học Trung Quốc
Người đánh giá: Pang Zhihao, Chuyên gia truyền thông khoa học trưởng của Công nghệ thám hiểm không gian quốc gia
Bài viết này được xuất bản bởi nhóm "Mọi người đều yêu khoa học" của Tencent
Xin vui lòng cho biết rằng bản in lại là từ Science Popularization China
