Sứ mệnh của tàu Juno và hành trình gian nan khám phá sao Mộc

[BuddyUp]

Sứ mệnh của tàu Juno và hành trình gian nan khám phá sao Mộc

NASA từng phóng một tàu thăm dò đến Sao Mộc. Theo kế hoạch ban đầu, con tàu này đáng lẽ phải kết thúc sứ mệnh và lao vào bầu khí quyển của hành tinh từ năm 2018.

Thế nhưng gần mười năm đã trôi qua, nó vẫn miệt mài bay trong không gian. Chẳng lẽ các nhà khoa học đã tính sai?

Cần biết rằng, Sao Mộc là một hành tinh khí khổng lồ có khối lượng gấp 318 lần Trái Đất. Đây là nơi tồn tại những cơn bão dữ dội nhất Hệ Mặt Trời cùng vành đai bức xạ mạnh đến mức có thể thiêu hủy các mạch điện chỉ trong chớp mắt.

Thế nhưng, ngay bên rìa "vùng cấm chết chóc" ấy, tàu thăm dò Juno vẫn tiến vào với bộ giáp titan nặng 180 kg, ba tấm pin Mặt Trời dài 9 mét và một chiếc máy ảnh CCD chỉ vỏn vẹn 2 megapixel.

Không chỉ ghi lại những bức ảnh ngoạn mục về hai cực Sao Mộc, Juno còn giúp con người lần đầu tiên nhìn thấy những bí mật ẩn sâu dưới lớp mây dày hàng nghìn kilomet của hành tinh này.

Năm 2011, Juno trở thành tàu thăm dò thứ hai thuộc chương trình New Frontiers của NASA. Sứ mệnh của nó là xuyên qua lớp khí quyển dày đặc của Sao Mộc để tìm hiểu cấu trúc bên trong hành tinh.

Thế nhưng đúng vào thời điểm đó, nước Mỹ rơi vào cuộc khủng hoảng thiếu hụt nhiên liệu hạt nhân. NASA không còn đủ plutoni-238 để trang bị nguồn điện đồng vị phóng xạ (RTG) như trên Voyager, Cassini hay New Horizons. Juno buộc phải lựa chọn một giải pháp chưa từng có tiền lệ đối với một sứ mệnh xa như vậy, sử dụng hoàn toàn năng lượng Mặt Trời.

Khoảng cách từ Sao Mộc đến Mặt Trời xa gấp khoảng năm lần Trái Đất. Theo định luật nghịch đảo bình phương, cường độ ánh sáng tại đây chỉ còn khoảng 1/25. Chưa kể môi trường bức xạ khắc nghiệt còn làm hiệu suất của các tấm pin tiếp tục suy giảm. Cho nên, lượng điện mà Juno nhận được chỉ còn khoảng 4% so với khi ở quỹ đạo Trái Đất.

Để bù lại lượng ánh sáng ít ỏi ấy, các kỹ sư buộc phải chế tạo ba tấm pin Mặt Trời khổng lồ với tổng diện tích lên tới 70 mét vuông.

Nếu hoạt động gần Trái Đất, chúng có thể tạo ra khoảng 14 kilowatt điện. Nhưng ở Sao Mộc, toàn bộ hệ thống chỉ đủ cung cấp vỏn vẹn khoảng 420 watt*.
*420 W chỉ tương đương công suất của khoảng 4-5 bóng đèn sợi đốt 100 W.

Juno cũng không ngừng tự quay với tốc độ 2 vòng mỗi phút. Việc xoay liên tục giúp con tàu được sưởi ấm đồng đều, phân tán tác động của bức xạ lên toàn thân tàu, đồng thời tạo ra mômen động lượng đủ lớn để nó ổn định như một con quay hồi chuyển, hạn chế tối đa việc phải dùng động cơ điều chỉnh tư thế.

Tháng 8 năm 2011, tên lửa Atlas V đưa Juno rời khỏi Trái Đất. Tuy nhiên, lực đẩy của tên lửa không đủ để bay thẳng đến sao Mộc. NASA đành chọn một lộ trình vòng vèo hơn, trước tiên đưa Juno bay ra xa, vượt qua quỹ đạo sao Hỏa, sau đó lợi dụng lực hấp dẫn của Mặt Trời để đổi hướng quay trở lại, rồi thực hiện một cú trợ lực hấp dẫn từ Trái Đất nhằm tăng tốc mà gần như không tốn thêm nhiên liệu.

Tháng 10 năm 2013, Juno lướt ngang Trái Đất ở độ cao chỉ khoảng 500 km. Cú "ná cao su hấp dẫn" hoàn hảo này giúp vận tốc quanh Mặt Trời của con tàu tăng thêm 7,3 km/s, đạt tới 42,3 km/s.

Để tiễn Juno lên đường, NASA còn phát động một hoạt động đặc biệt, kêu gọi những người yêu vô tuyến trên khắp thế giới đồng loạt gửi tín hiệu mã Morse về phía con tàu. Trên Juno có một thiết bị mang tên Máy dò sóng vô tuyến và plasma.

Vốn dĩ, thiết bị này được tạo ra để lắng nghe tiếng gầm của từ trường Sao Mộc. Nhưng vào khoảnh khắc ấy, thứ nó nghe được lại là những tín hiệu vô tuyến vọng đến từ quê hương.

Trong khoảnh khắc tăng tốc để rời xa Trái Đất, Juno quay ống kính lại phía sau, chụp vài tấm ảnh cuối cùng của hành tinh mẹ. Đó là lần cuối cùng nó "nhìn" về nơi mình xuất phát. Và kể từ cuộc chia ly ấy, sẽ không còn ngày trở lại.

Trước khi bước vào vùng hấp dẫn của Sao Mộc, Juno phải khoác lên mình bộ áo giáp dày nhất từng được chế tạo cho một tàu thăm dò.

Sao Mộc sở hữu từ trường mạnh nhất Hệ Mặt Trời. Nguyên nhân đến từ lớp hydro kim loại lỏng sâu trong lòng hành tinh, nơi vật chất quay với tốc độ cực lớn và tạo ra một từ trường có quy mô vượt xa Trái Đất. Tuy nhiên, điều thực sự nguy hiểm lại không phải bản thân từ trường.

"Địa ngục" quanh Sao Mộc chủ yếu được tạo nên bởi Io*, vệ tinh hoạt động núi lửa dữ dội nhất Hệ Mặt Trời.
*Io (Mộc vệ I): Vệ tinh gần Sao Mộc nhất trong bốn vệ tinh Galilei, đồng thời là thiên thể có hoạt động núi lửa dữ dội nhất Hệ Mặt Trời

Mỗi giây, các núi lửa trên Io phun vào không gian khoảng một tấn lưu huỳnh điôxít. Dưới tác động của tia cực tím và các hạt năng lượng cao từ Mặt Trời, những phân tử này bị ion hóa, biến thành các ion lưu huỳnh và oxy mang điện.

Một khi đã mang điện tích, chúng lập tức bị từ trường khổng lồ của Sao Mộc bắt giữ, gia tốc lên vận tốc gần bằng tốc độ ánh sáng, tạo thành một vành đai bức xạ năng lượng cực cao bao bọc toàn bộ hành tinh.

Những hạt này không còn là "tia bức xạ" theo nghĩa thông thường nữa, mà giống như vô số viên đạn siêu nhỏ mang động năng cực lớn, có thể xuyên thủng lớp kim loại bảo vệ và phá hủy các vi mạch điện tử chỉ trong tích tắc.

Để chống chọi với cường độ bức xạ khủng khiếp ấy, các kỹ sư đã chế tạo cho Juno một "két sắt" bằng hợp kim titan nặng tới 180 kg. Lớp vỏ dày chỉ khoảng 1 cm này bao bọc toàn bộ máy tính trung tâm cùng những thiết bị quan trọng nhất, giúp chúng chịu được hơn 20 triệu rad bức xạ, tương đương với việc phải chụp hàng trăm triệu lần X-quang.

Thế nhưng, ngay bên ngoài chiếc "két sắt" tối tân ấy lại có một thiết bị trông chẳng hề ăn nhập với phần còn lại. Đó chính là JunoCam, chiếc máy ảnh CCD chỉ vỏn vẹn 2 megapixel. Điều thú vị là, JunoCam thậm chí không được xếp vào nhóm thiết bị nghiên cứu khoa học

NASA gọi nó là một "máy ảnh phục vụ công chúng".

Lý do ban đầu của NASA rất đơn giản: đã bỏ ra hơn 1,1 tỷ USD cho một sứ mệnh không gian thì cũng nên mang về vài tấm ảnh màu thật đẹp, để người nộp thuế còn biết tiền của mình được dùng vào đâu.

JunoCam sử dụng kỹ thuật quét đẩy (push-broom imaging). Thay vì chụp cả khung hình trong một lần, nó lợi dụng việc tàu tự quay liên tục để ghi từng dải ảnh nhỏ, sau đó ghép chúng lại thành một bức ảnh hoàn chỉnh. Không ai ngờ rằng, chính chiếc máy ảnh từng bị giới khoa học xem là "đồ phụ họa" ấy lại chụp được những bức ảnh khiến cả thế giới kinh ngạc.

 

[BuddyUp]

Hai cực của Sao Mộc hiện lên như những bức tranh sơn dầu của Van Gogh, với vô số xoáy khí đủ màu sắc cuộn trào bất tận.

Ngày 4 tháng 7 năm 2016, đúng dịp Quốc khánh Hoa Kỳ, Juno cuối cùng cũng đặt chân tới Sao Mộc. Đồng thời, nó cũng bước vào khoảnh khắc nguy hiểm nhất trong toàn bộ sứ mệnh.

Với vận tốc gần 58 km mỗi giây, Juno lao vào trường hấp dẫn của Sao Mộc. Nếu không kịp giảm tốc đúng thời điểm, nó sẽ bị lực hấp dẫn khổng lồ của hành tinh này hất văng trở lại không gian sâu. Để tránh điều đó xảy ra, Juno buộc phải thực hiện một cú "đốt động cơ hãm tốc" hoàn hảo.

Thế nhưng lúc ấy, Sao Mộc cách Trái Đất khoảng 869 triệu kilomet. Một tín hiệu vô tuyến truyền từ Trái Đất tới Juno mất tới 48 phút 19 giây, điều đó đồng nghĩa với việc nhân viên điều khiển trên trái đất không thể can thiệp kịp thời.

Toàn bộ quá trình đưa tàu vào quỹ đạo đều được giao cho chương trình tự động đã được lập trình sẵn. Trong đêm quyết định vận mệnh ấy, những tín hiệu mà Trung tâm Điều khiển NASA nhận được thực chất đều là "tin cũ" của 48 phút trước. Khi màn hình tại trung tâm điều khiển hiện lên dòng "bắt đầu đốt động cơ", thì trên thực tế, Juno đã hoàn thành mọi việc từ 48 phút trước đó.

Trong suốt 35 phút đốt động cơ, để chống lại những rung động dữ dội do động cơ chính tạo ra, Juno đã tăng tốc độ tự quay của mình từ 2 vòng/phút lên 5 vòng/phút. Cuối cùng, nó giảm tốc thành công, bị lực hấp dẫn của Sao Mộc "bắt giữ" và tiến vào một quỹ đạo đặc biệt có tên là "quỹ đạo cực hình elip lớn".

Quỹ đạo ấy được xem là một tuyệt phẩm của kỹ thuật hàng không vũ trụ. Juno không bay quanh xích đạo Sao Mộc như nhiều người tưởng, nó bay theo hướng gần như từ cực Bắc xuống cực Nam. Ở điểm xa nhất, Juno cách Sao Mộc tới 8,1 triệu kilomet, nơi bức xạ yếu hơn rất nhiều. Chỉ 53 ngày một lần, con tàu mới lao trở lại gần hành tinh.

Còn tại điểm gần nhất, khoảng cách giữa Juno với đỉnh các tầng mây chỉ khoảng 4.200 kilomet. Quỹ đạo cực kỳ dẹt này mang lại hai lợi ích rất lớn. Một mặt, Juno chỉ lướt rất nhanh qua vùng bức xạ nguy hiểm nhất, giảm đáng kể lượng bức xạ tích lũy. Mặt khác, phần lớn thời gian nó đều ở rất xa Sao Mộc, nơi ánh sáng Mặt Trời đủ mạnh để các tấm pin tiếp tục phát điện.

Thế nhưng, đúng lúc mọi việc đang diễn ra thuận lợi thì sự cố bất ngờ xảy ra. Van một chiều của hệ thống heli trên động cơ chính xuất hiện lỗi bất thường.

Các kỹ sư lo ngại rằng nếu tiếp tục khởi động động cơ, nó có thể phát nổ, NASA buộc phải từ bỏ kế hoạch rút ngắn chu kỳ quỹ đạo từ 53 ngày xuống còn 14 ngày. Juno đành ở lại trên quỹ đạo dài ấy mãi mãi.

Lúc bấy giờ, gần như tất cả mọi người đều rơi vào tuyệt vọng. Họ cho rằng hiệu suất thu thập dữ liệu sẽ giảm mạnh, còn sứ mệnh vốn được lên kế hoạch kéo dài hai năm có lẽ sẽ đổ bể.

Thế nhưng đến tháng 2 năm 2018, thời điểm lẽ ra phải tổ chức "lễ tang" cho Juno, các kỹ sư lại phát hiện con tàu vẫn hoạt động khỏe re.

Đến lúc ấy, mọi người mới nhận ra rằng sự cố động cơ xảy ra hai năm trước hóa ra lại trở thành chiếc phao cứu sinh của nó. Chính vì buộc phải ở lại trên quỹ đạo dài, Juno dành phần lớn thời gian ở trong vùng an toàn, cách xa vành đai bức xạ.

Trong những năm tiếp theo, Juno đã hoàn toàn thay đổi nhận thức của chúng ta về Sao Mộc.
Thông qua các phép đo trường hấp dẫn, nó phát hiện rằng bên dưới những tầng mây của Sao Mộc hoàn toàn không tồn tại một lõi rắn cứng. Phần lõi được cấu tạo từ đá và băng từ lâu đã hòa tan, biến thành một "lõi khuếch tán" giống như hồ đặc, không còn ranh giới rõ ràng.

Các dòng đối lưu trong khí quyển kéo dài từ bề mặt xuống độ sâu khoảng 3.000 km. Còn ở độ sâu hơn 10.000 km, tồn tại một lớp hydro kim loại lỏng dày khoảng 40.000 km. Tại đó, áp suất khí quyển lớn gấp hàng triệu lần Trái Đất khiến các electron có thể chuyển động tự do, từ đó tạo ra từ trường mạnh mẽ của Sao Mộc.

Ngoài ra, bằng từ kế, Juno còn phát hiện một đặc trưng điện từ mà trước đây con người không quan sát được: gần khu vực xích đạo tồn tại một vùng có từ trường tập trung bất thường, được các nhà khoa học đặt tên là "Vết Xanh Lớn".

Phát hiện này cho thấy cơ chế hình thành từ trường bên trong Sao Mộc phức tạp hơn rất nhiều so với Trái Đất. Ngoài việc hé lộ cấu trúc bên trong, Juno còn lần đầu tiên giúp con người nhìn rõ khung cảnh hùng vĩ ở vùng cực của Sao Mộc.

Tại đây, các cơn bão không sắp xếp thành từng dải như ở những vĩ độ thấp, mà tồn tại theo một cấu trúc đối xứng đáng kinh ngạc. Ở cực Bắc, 8 xoáy thuận bao quanh một xoáy thuận trung tâm, tạo thành một cấu trúc hình bát giác ổn định.

Trong khi đó, Vết Hồng Lớn hay còn được mệnh danh là "Con mắt của Sao Mộc" – cũng được đo lại độ sâu, lên tới 300-500 km, gần hàng chục lần chiều cao của cơn bão mạnh nhất trên Trái Đất.

Điều này cho thấy Sao Mộc không phải là một hành tinh khí hiền hòa, mà là một "luyện ngục" nơi phần lõi bên trong không ngừng hòa tan và trong khí quyển liên tục rơi xuống những trận "mưa đá amoniac".

Thậm chí, Juno còn sửa lại một nhận thức sai lầm đã tồn tại suốt 20 năm. Thông qua phân tích vi sóng, nó xác nhận rằng trong khí quyển vùng xích đạo của Sao Mộc có tồn tại nước ở dạng liên kết*, qua đó hoàn toàn giải đáp bí ẩn được tàu thăm dò Galileo để lại, thường được gọi là "bí ẩn Sao Mộc khô hạn".
*Nước ở dạng liên kết là nước tồn tại dưới dạng phân tử hoặc hợp chất trong khí quyển, không có nghĩa là tồn tại sông, hồ hay đại dương trên Sao Mộc

 

[BuddyUp]

Đến năm 2021, Juno một lần nữa chạm tới giới hạn tuổi thọ thiết kế ban đầu, thế nhưng nó vẫn tiếp tục hoạt động.

Do phải phơi nhiễm trong vành đai bức xạ suốt thời gian dài, những bức ảnh do chiếc máy ảnh đặt bên ngoài "két sắt" bằng hợp kim titan chụp được bắt đầu xuất hiện những dải màu lớn và các hạt nhiễu như tuyết.

Đầu năm 2023, từ khoảng cách 600 triệu kilomet so với Trái Đất, các kỹ sư đã gửi một lệnh điều khiển từ xa đến Juno.

Họ sử dụng bộ gia nhiệt điện công suất nhỏ bên trong máy ảnh để nâng nhiệt độ của cảm biến, tiến hành một lần "phục hồi bằng phương pháp ủ nhiệt" cho cảm biến CCD 2 megapixel này.

Thông qua việc gia nhiệt, những tinh thể silicon vốn bị các hạt năng lượng cao làm xáo trộn đã sắp xếp lại cấu trúc, giúp chiếc máy ảnh như được hồi sinh. Sau đó, trong lần bay lướt qua Io (Mộc vệ I), nó đã chụp rõ cột vật chất do núi lửa phun lên cao tới 200 km.

Nó giống như một người lữ khách cô độc và kiên cường, trong những năm tháng cuối cùng của cuộc đời mình vẫn cố gắng giúp nhân loại nhìn thấy thêm nhiều sự thật hơn nữa.

Rất nhiều người thực ra không hiểu vì sao NASA lại đặt tên cho tàu thăm dò này là "Juno".

Trong thần thoại La Mã, Jupiter là vị thần đứng đầu các vị thần, thường lén vợ đi làm những "hoạt động bí mật". Để không ai phát hiện, ông khoác lên mình một lớp mây dày đặc, khiến người ngoài vĩnh viễn không thể nhìn thấu. Chỉ có người vợ của ông là Juno mới có thể xuyên qua màn mây ấy và nhìn thấy sự thật.

Còn Jupiter cũng chính là tên tiếng Anh của Sao Mộc, hành tinh được bao phủ bởi lớp khí quyển dày hàng nghìn kilomet, luôn biến hóa khôn lường. Trước khi Juno đến, nhân loại gần như hoàn toàn không biết bên dưới những tầng mây ấy ẩn giấu điều gì.

Juno chính là vị nữ thần mang theo sứ mệnh đến với Sao Mộc.

Nhiệm vụ của nó là sử dụng hàng loạt thiết bị thăm dò hiện đại, giống như ánh mắt của nữ thần, để vén toàn bộ lớp mây dày đặc ấy lên và nhìn rõ những bí mật đang ẩn giấu bên trong.

Ngày nay, Juno cũng đã bước vào những năm tháng cuối của cuộc hành trình. Đến năm 2026*, hệ thống cung cấp điện của nó đang dần suy giảm.
*Ban đầu, NASA dự kiến sứ mệnh kết thúc vào tháng 9/2025, sau đó Juno sẽ kết thúc hành trình bằng cách lao vào khí quyển Sao Mộc.

Theo kế hoạch, khi sứ mệnh đi đến hồi kết, Juno sẽ thực hiện nhiệm vụ cuối cùng của mình: chủ động lao vào bầu khí quyển của Sao Mộc và cháy rụi trong đó.

Lý do NASA đưa ra quyết định tưởng chừng "tàn nhẫn" ấy thực ra rất đơn giản.

Các nhà khoa học tin rằng bên dưới lớp băng của Europa (Mộc vệ Nhị) có thể tồn tại một đại dương ngầm và biết đâu có cả sự sống. Nếu một ngày nào đó Juno mất kiểm soát rồi vô tình rơi xuống Europa, những vi sinh vật từ Trái Đất còn sót lại trên thân tàu có thể làm ô nhiễm môi trường nguyên sơ nơi đây. Đó sẽ là tổn thất không thể cứu vãn đối với công cuộc tìm kiếm sự sống ngoài Trái Đất.