Alan Title (Physics World, tháng 11/2010)
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.
Xử lí dữ liệu
Yêu cầu tốc độ ghi ảnh cao, độ phân giải không gian và độ bao quát phổ rộng chi phối thiết kế của cả ba thiết bị, cũng như các tính chất và quỹ đạo của phi thuyền mang chúng. Quỹ đạo địa tĩnh của đài thiên văn trên, chẳng hạn, mang lại hai lợi thế lớn để nghiên cứu Mặt trời. Thứ nhất, những quỹ đạo như vậy ở đủ cao phía trên Trái đất nên hành tinh 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. Có tổng cộng sáu camera CCD trên SDO – hai trên HMI và bốn trên AIA – và hầu như mỗi giây một bức ảnh 4096 × 4096 pixel (16 megapixel) từ một trong số chúng phải được đọc ra và truyền về Trái đất. Các pixel trên thật sự lớn so với các chuẩn camera CCD thương mại (13 × 13 µm).
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. (Các camera được thiết kế và sản xuất bởi các nhà khoa học và kĩ sư tại Phòng thí nghiệm Rutherford Appleton ở gần Didcot, còn các máy dò CCD đặc biệt được hãng e2v sản xuất, hãng này cũng ở Anh quốc). 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 phần cho những mục tiêu khoa học đặc biệt. 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. Những hình ảnh đầu tiên thật đẹp. 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.
Các ảnh chụp ở tốc độ cao cũng hết sức phong phú. Lúc bắt đầy một hoạt động dạng sợi hay CME, một số chi tiết xuất hiện ở tốc độ 100-600 km/s. Lúc khởi phát của một tai lửa, thỉnh thoảng có các “luồng hơi” plasma chuyển động ở tốc độ 1000-2000 km/s. Khi thu lấy những sự kiện như vậy, một phần diện mạo khuếch tán của chúng gây ra bởi vệt chuyển động; một sự phơi sáng 3s tiêu biểu mà AIA chụp lấy, chẳng hạn, làm nhòe ảnh của một cấu trúc 2000 km/s đi 4-8 pixel. 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.
Hình 3. 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. Trong ảnh phía bên trái, chụp hôm 16 tháng 9, ngưỡng nhiệt độ từ 1-2 triệu kelvin (xanh đến đỏ). Ảnh phía bên phải chụp hầu như ngay lúc ấy, nhưng ở đây ngưỡng nhiệt độ là 2-6 triệu kelvin. (Ảnh: NASA)
{loadposition article}
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.
Việc chế tạo những bộ lọc như vậy thật sự khó khăn, nhưng việc thiết kế khung cho chúng còn khó hơn nữa. 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.
Ảnh: NASA
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. Những lớp tráng này không thể loại bỏ, cho nên sự trục trặc ở lớp tráng sẽ làm hỏng cả cái gương. 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 nhau. 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.
Cuối cùng, còn có câu hỏi về tính ổn định. 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. Kết quả là nó ổn định giống như giữ một chùm laser hướng vào một vòng tròn mục tiêu đường kính 1mm từ khoảng cách 10 km. Đối với những người thích chơi golf, điều này tương đương với việc một người chơi đang đào một cái lỗ tại Old Course ở St Andrews trong khi đang đứng ở rạp xiếc Piccadilly.
Tác giả Alan Title là giáo sư vật lí tại trường Đại học Stanford, Hoa Kì; nhà khoa học thâm niên tại Trung tâm Công nghệ Tiên tiến Lockheed Martin ở Palo Alto.
Nguồn: Physics World, tháng 11/2010
