Vì sao Voyager 1 đã bay tới rìa Hệ Mặt Trời mà vẫn có thể liên lạc với Trái Đất?
Lưu ý: Bản dịch giữ nguyên lập luận của tác giả, hãy đọc với tư duy phản biện và đối chiếu thêm nhiều nguồn.
Tác giả: Dunkirk
I. Voyager được trang bị một ăng-ten parabol đường kính 3,7 mét gọi là ăng-ten độ lợi cao.
Hình dạng parabol có một đặc tính vật lý, nó có thể phản xạ tín hiệu phát ra từ tiêu điểm thành một chùm sóng gần như song song, tập trung phát theo một hướng, thay vì tỏa ra bốn phía như ăng-ten thông thường.
Điều này cực kỳ quan trọng. Với cùng một công suất phát, nếu năng lượng tỏa đều ra mọi phía thì khi đến khoảng cách 24 tỷ km, tín hiệu sẽ yếu đến mức không thể phát hiện. Nhưng nếu nén năng lượng vào một chùm sóng rất hẹp và hướng thẳng về Trái Đất thì câu chuyện hoàn toàn khác.
Nguyên lý này giống như khác biệt giữa bóng đèn và đèn pin: bóng đèn phát sáng tỏa ra xung quanh, còn chóa phản xạ của đèn pin gom ánh sáng thành một chùm để chiếu được xa hơn.
Dù vậy, khi đến Trái Đất, chùm tín hiệu ấy vẫn đã suy yếu đến mức cực độ. Công suất tín hiệu Voyager 1 tới được Trái Đất chỉ vào khoảng 0,0000000000000002 watt. Nó mờ hơn một bóng đèn bình thường hàng nghìn tỷ lần, yếu hơn ánh sáng yếu nhất mà mắt người có thể cảm nhận rất nhiều bậc độ lớn.
Để thu được tín hiệu như vậy, NASA đã xây dựng Mạng lưới Không gian sâu, Deep Space Network (DSN), với ba cụm ăng-ten khổng lồ đặt tại Goldstone ở bang California, gần Madrid của Tây Ban Nha và gần Canberra của Úc. Ba trạm được bố trí rải đều trên Trái Đất để bất kể Voyager ở vị trí nào, Trái Đất tự quay đến góc nào, vẫn luôn có ít nhất một trạm có thể hướng về phía nó.
Các ăng-ten này có đường kính tới 70 mét. Nhờ diện tích thu rất lớn và thiết bị thu độ nhạy cao được làm lạnh, chúng mới có thể tách tín hiệu yếu ớt của Voyager khỏi nhiễu nền.
Tốc độ truyền dữ liệu của Voyager 1 hiện chỉ khoảng 160 bit/giây, tương đương khoảng một phần triệu tốc độ mạng băng thông rộng gia đình. Gửi về một bức ảnh độ phân giải thấp có thể mất vài giờ. Nhưng ở khoảng cách ấy, việc bất cứ dữ liệu nào còn có thể trở về Trái Đất đã là một điều đáng kinh ngạc.
1. Nhưng còn một vấn đề, đã bay lâu như vậy trong không gian, làm sao nó biết mình đang quay về hướng nào? Làm sao bảo đảm ăng-ten luôn chĩa chính xác về Trái Đất?
Voyager sử dụng bộ theo dõi sao. Nó lấy sao Alpha Centauri làm mốc tham chiếu tư thế, liên tục khóa vào ngôi sao sáng này, kết hợp với cảm biến Mặt Trời để thiết lập một hệ tọa độ ổn định trong không gian. Khi tư thế bị lệch, các động cơ đẩy nhỏ dùng nhiên liệu hydrazine trên tàu sẽ tự động kích hoạt để hiệu chỉnh. Trong nhiều thập kỷ, những lần hiệu chỉnh nhỏ như vậy đã diễn ra hàng nghìn lần.
Năm 2017, các động cơ kiểm soát tư thế chính của Voyager 1 đã lão hóa rõ rệt sau thời gian dài hoạt động. NASA quyết định chuyển sang dùng các động cơ dự phòng vốn đã không được sử dụng trong nhiều năm. Chúng đã “ngủ” suốt 37 năm. Việc tái kích hoạt một cụm động cơ đẩy trên tàu thăm dò không gian sâu sau 37 năm như vậy có lẽ rất khó tìm được tiền lệ trong lịch sử kỹ thuật vũ trụ.
Dĩ nhiên chỉ riêng con tàu thì chưa đủ. Các kỹ sư trên Trái Đất cũng định kỳ gửi lệnh, căn cứ vào tính toán chính xác về quỹ đạo và bản đồ sao để chủ động giúp tàu hiệu chỉnh hướng chĩa của ăng-ten.
2. Voyager lấy điện từ đâu?
Nó đã bay quá xa, ánh sáng Mặt Trời ở đó rất yếu, hoàn toàn không thể dùng để phát điện. Vì thế ngay từ đầu, tàu đã không mang theo tấm pin Mặt Trời.
Nó sử dụng thiết bị gọi là máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ, viết tắt là RTG, bên trong chứa plutonium-238. Plutonium tự phân rã và giải phóng nhiệt; nhiệt ấy được chuyển thành điện năng nhờ bộ chuyển đổi nhiệt điện.
Sự phân rã của plutonium không dừng lại, nhưng công suất điện tạo ra sẽ ngày càng giảm. Khi Voyager 1 được phóng, RTG có thể cung cấp khoảng 470 watt điện. Hiện nay, con số này đã giảm xuống còn khoảng 250 watt. Để tiếp tục hoạt động với nguồn điện hữu hạn, trong nhiều năm qua các kỹ sư đã lần lượt tắt bớt một số thiết bị trên Voyager, dồn điện cho những thiết bị khoa học quan trọng nhất và hệ thống liên lạc.
3. Mã lệnh từ vài chục năm trước vẫn còn chạy được sao?
Máy tính trên Voyager là sản phẩm của thập niên 1970, với bộ nhớ chỉ 68 KB, thậm chí còn nhỏ hơn dung lượng của một tấm ảnh bình thường trong điện thoại ngày nay. Tần số hoạt động của nó cũng rất thấp. Nhưng chính chiếc máy tính ấy đã vận hành ổn định gần 50 năm giữa không gian liên sao, xa xôi khỏi Trái Đất.
Thực tế có lẽ khác với tưởng tượng của chúng ta. Chip hiện đại có transistor cực nhỏ và dày đặc; trong môi trường không gian, chúng lại có thể rất mong manh, bởi chỉ một hạt năng lượng cao từ vũ trụ đi qua cũng có thể làm đảo một bit, gây lỗi dữ liệu, thậm chí hư hỏng phần cứng.
Transistor của Voyager lớn hơn, thưa hơn, mạch điện cũng đơn giản hơn; vì thế ngược lại, nó có khả năng chống chịu khá tốt.
Nhưng phần mềm thì không hề đơn giản. Mã nguồn gốc của Voyager được viết bằng Fortran và hợp ngữ. Nhiều kỹ sư tham gia thiết kế năm xưa đã nghỉ hưu, một số đã qua đời. NASA phải tìm những kỹ sư kỳ cựu còn hiểu hệ thống, nhờ họ giải mã các ghi chú và logic còn lưu lại từ nhiều thập kỷ trước.
Cuối năm 2023, Voyager 1 đột nhiên gửi về Trái Đất những tín hiệu lặp lại vô nghĩa. Các kỹ sư mất nhiều tháng kiểm tra từng dòng mã, cuối cùng phát hiện khoảng 3% vùng bộ nhớ của hệ thống dữ liệu bay đã bị hỏng.
Giải pháp là tách phần mã vốn lưu trong vùng bộ nhớ hỏng đó ra, rồi phân bổ lại vào những vùng nhớ còn hoạt động bình thường trên tàu. Sau khi viết xong bản vá, họ phải gửi nó đi, chờ 22 giờ để xác nhận tàu nhận được lệnh, rồi chờ thêm 22 giờ nữa mới biết kết quả thực thi.
Tháng 4 năm 2024, sau gần 5 tháng trục trặc, Voyager 1 lại truyền về dữ liệu bình thường.
Khi tín hiệu ấy xuất hiện trên màn hình thu của Deep Space Network, có thể hình dung được sự xúc động và vui mừng của cả đội ngũ.
Bảo trì một con tàu đã ở quá xa Trái Đất chính là như vậy. Bạn không thể khởi động lại nó, không thể thay phần cứng, càng không thể để kỹ sư ngồi cạnh để gỡ lỗi bất cứ lúc nào. Mọi quyết định đều phải được thử nghiệm đi thử nghiệm lại trên mặt đất; và sau khi một lệnh được gửi đi, chỉ có thể chờ đợi gần hai ngày mới biết kết quả.
II. Voyager đã gửi về những gì? Thông tin Voyager gửi về Trái Đất có thể chia thành hai giai đoạn.
1. Giai đoạn đầu là thăm dò hành tinh, kéo dài từ năm 1979 đến năm 1989.
Mười năm này là thời kỳ thành tựu thăm dò của chương trình Voyager dày đặc và rực rỡ nhất.
Voyager 1 bay lướt qua Sao Mộc vào năm 1979, phát hiện các núi lửa còn đang phun trào trên Io, vệ tinh của Sao Mộc. Đây là lần đầu tiên con người phát hiện hoạt động núi lửa đang diễn ra ngoài Trái Đất.
Vết bầu dục màu đỏ trên sao Mộc gọi là Vết Đỏ Lớn (Great Red Spot) một cơn bão khổng lồ đã tồn tại ít nhất khoảng 350 năm, thậm chí có thể còn lâu hơn. Nó có đường kính từng lớn hơn 3 lần Trái Đất, dù hiện nay đã thu nhỏ đáng kể.
Vệ tinh Io của sao Mộc nơi Voyager 1 lần đầu tiên phát hiện núi lửa đang phun ngoài Trái Đất, đã thay đổi hoàn toàn hiểu biết của con người về hoạt động địa chất trong Hệ Mặt Trời.
Lưu ý: Bản dịch giữ nguyên lập luận của tác giả, hãy đọc với tư duy phản biện và đối chiếu thêm nhiều nguồn.
Tác giả: Dunkirk
I. Voyager được trang bị một ăng-ten parabol đường kính 3,7 mét gọi là ăng-ten độ lợi cao.
Hình dạng parabol có một đặc tính vật lý, nó có thể phản xạ tín hiệu phát ra từ tiêu điểm thành một chùm sóng gần như song song, tập trung phát theo một hướng, thay vì tỏa ra bốn phía như ăng-ten thông thường.
Điều này cực kỳ quan trọng. Với cùng một công suất phát, nếu năng lượng tỏa đều ra mọi phía thì khi đến khoảng cách 24 tỷ km, tín hiệu sẽ yếu đến mức không thể phát hiện. Nhưng nếu nén năng lượng vào một chùm sóng rất hẹp và hướng thẳng về Trái Đất thì câu chuyện hoàn toàn khác.
Nguyên lý này giống như khác biệt giữa bóng đèn và đèn pin: bóng đèn phát sáng tỏa ra xung quanh, còn chóa phản xạ của đèn pin gom ánh sáng thành một chùm để chiếu được xa hơn.
Dù vậy, khi đến Trái Đất, chùm tín hiệu ấy vẫn đã suy yếu đến mức cực độ. Công suất tín hiệu Voyager 1 tới được Trái Đất chỉ vào khoảng 0,0000000000000002 watt. Nó mờ hơn một bóng đèn bình thường hàng nghìn tỷ lần, yếu hơn ánh sáng yếu nhất mà mắt người có thể cảm nhận rất nhiều bậc độ lớn.
Để thu được tín hiệu như vậy, NASA đã xây dựng Mạng lưới Không gian sâu, Deep Space Network (DSN), với ba cụm ăng-ten khổng lồ đặt tại Goldstone ở bang California, gần Madrid của Tây Ban Nha và gần Canberra của Úc. Ba trạm được bố trí rải đều trên Trái Đất để bất kể Voyager ở vị trí nào, Trái Đất tự quay đến góc nào, vẫn luôn có ít nhất một trạm có thể hướng về phía nó.
Các ăng-ten này có đường kính tới 70 mét. Nhờ diện tích thu rất lớn và thiết bị thu độ nhạy cao được làm lạnh, chúng mới có thể tách tín hiệu yếu ớt của Voyager khỏi nhiễu nền.
Tốc độ truyền dữ liệu của Voyager 1 hiện chỉ khoảng 160 bit/giây, tương đương khoảng một phần triệu tốc độ mạng băng thông rộng gia đình. Gửi về một bức ảnh độ phân giải thấp có thể mất vài giờ. Nhưng ở khoảng cách ấy, việc bất cứ dữ liệu nào còn có thể trở về Trái Đất đã là một điều đáng kinh ngạc.
1. Nhưng còn một vấn đề, đã bay lâu như vậy trong không gian, làm sao nó biết mình đang quay về hướng nào? Làm sao bảo đảm ăng-ten luôn chĩa chính xác về Trái Đất?
Voyager sử dụng bộ theo dõi sao. Nó lấy sao Alpha Centauri làm mốc tham chiếu tư thế, liên tục khóa vào ngôi sao sáng này, kết hợp với cảm biến Mặt Trời để thiết lập một hệ tọa độ ổn định trong không gian. Khi tư thế bị lệch, các động cơ đẩy nhỏ dùng nhiên liệu hydrazine trên tàu sẽ tự động kích hoạt để hiệu chỉnh. Trong nhiều thập kỷ, những lần hiệu chỉnh nhỏ như vậy đã diễn ra hàng nghìn lần.
Năm 2017, các động cơ kiểm soát tư thế chính của Voyager 1 đã lão hóa rõ rệt sau thời gian dài hoạt động. NASA quyết định chuyển sang dùng các động cơ dự phòng vốn đã không được sử dụng trong nhiều năm. Chúng đã “ngủ” suốt 37 năm. Việc tái kích hoạt một cụm động cơ đẩy trên tàu thăm dò không gian sâu sau 37 năm như vậy có lẽ rất khó tìm được tiền lệ trong lịch sử kỹ thuật vũ trụ.
Dĩ nhiên chỉ riêng con tàu thì chưa đủ. Các kỹ sư trên Trái Đất cũng định kỳ gửi lệnh, căn cứ vào tính toán chính xác về quỹ đạo và bản đồ sao để chủ động giúp tàu hiệu chỉnh hướng chĩa của ăng-ten.
2. Voyager lấy điện từ đâu?
Nó đã bay quá xa, ánh sáng Mặt Trời ở đó rất yếu, hoàn toàn không thể dùng để phát điện. Vì thế ngay từ đầu, tàu đã không mang theo tấm pin Mặt Trời.
Nó sử dụng thiết bị gọi là máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ, viết tắt là RTG, bên trong chứa plutonium-238. Plutonium tự phân rã và giải phóng nhiệt; nhiệt ấy được chuyển thành điện năng nhờ bộ chuyển đổi nhiệt điện.
Sự phân rã của plutonium không dừng lại, nhưng công suất điện tạo ra sẽ ngày càng giảm. Khi Voyager 1 được phóng, RTG có thể cung cấp khoảng 470 watt điện. Hiện nay, con số này đã giảm xuống còn khoảng 250 watt. Để tiếp tục hoạt động với nguồn điện hữu hạn, trong nhiều năm qua các kỹ sư đã lần lượt tắt bớt một số thiết bị trên Voyager, dồn điện cho những thiết bị khoa học quan trọng nhất và hệ thống liên lạc.
3. Mã lệnh từ vài chục năm trước vẫn còn chạy được sao?
Máy tính trên Voyager là sản phẩm của thập niên 1970, với bộ nhớ chỉ 68 KB, thậm chí còn nhỏ hơn dung lượng của một tấm ảnh bình thường trong điện thoại ngày nay. Tần số hoạt động của nó cũng rất thấp. Nhưng chính chiếc máy tính ấy đã vận hành ổn định gần 50 năm giữa không gian liên sao, xa xôi khỏi Trái Đất.
Thực tế có lẽ khác với tưởng tượng của chúng ta. Chip hiện đại có transistor cực nhỏ và dày đặc; trong môi trường không gian, chúng lại có thể rất mong manh, bởi chỉ một hạt năng lượng cao từ vũ trụ đi qua cũng có thể làm đảo một bit, gây lỗi dữ liệu, thậm chí hư hỏng phần cứng.
Transistor của Voyager lớn hơn, thưa hơn, mạch điện cũng đơn giản hơn; vì thế ngược lại, nó có khả năng chống chịu khá tốt.
Nhưng phần mềm thì không hề đơn giản. Mã nguồn gốc của Voyager được viết bằng Fortran và hợp ngữ. Nhiều kỹ sư tham gia thiết kế năm xưa đã nghỉ hưu, một số đã qua đời. NASA phải tìm những kỹ sư kỳ cựu còn hiểu hệ thống, nhờ họ giải mã các ghi chú và logic còn lưu lại từ nhiều thập kỷ trước.
Cuối năm 2023, Voyager 1 đột nhiên gửi về Trái Đất những tín hiệu lặp lại vô nghĩa. Các kỹ sư mất nhiều tháng kiểm tra từng dòng mã, cuối cùng phát hiện khoảng 3% vùng bộ nhớ của hệ thống dữ liệu bay đã bị hỏng.
Giải pháp là tách phần mã vốn lưu trong vùng bộ nhớ hỏng đó ra, rồi phân bổ lại vào những vùng nhớ còn hoạt động bình thường trên tàu. Sau khi viết xong bản vá, họ phải gửi nó đi, chờ 22 giờ để xác nhận tàu nhận được lệnh, rồi chờ thêm 22 giờ nữa mới biết kết quả thực thi.
Tháng 4 năm 2024, sau gần 5 tháng trục trặc, Voyager 1 lại truyền về dữ liệu bình thường.
Khi tín hiệu ấy xuất hiện trên màn hình thu của Deep Space Network, có thể hình dung được sự xúc động và vui mừng của cả đội ngũ.
Bảo trì một con tàu đã ở quá xa Trái Đất chính là như vậy. Bạn không thể khởi động lại nó, không thể thay phần cứng, càng không thể để kỹ sư ngồi cạnh để gỡ lỗi bất cứ lúc nào. Mọi quyết định đều phải được thử nghiệm đi thử nghiệm lại trên mặt đất; và sau khi một lệnh được gửi đi, chỉ có thể chờ đợi gần hai ngày mới biết kết quả.
II. Voyager đã gửi về những gì? Thông tin Voyager gửi về Trái Đất có thể chia thành hai giai đoạn.
1. Giai đoạn đầu là thăm dò hành tinh, kéo dài từ năm 1979 đến năm 1989.
Mười năm này là thời kỳ thành tựu thăm dò của chương trình Voyager dày đặc và rực rỡ nhất.
Voyager 1 bay lướt qua Sao Mộc vào năm 1979, phát hiện các núi lửa còn đang phun trào trên Io, vệ tinh của Sao Mộc. Đây là lần đầu tiên con người phát hiện hoạt động núi lửa đang diễn ra ngoài Trái Đất.
Vết bầu dục màu đỏ trên sao Mộc gọi là Vết Đỏ Lớn (Great Red Spot) một cơn bão khổng lồ đã tồn tại ít nhất khoảng 350 năm, thậm chí có thể còn lâu hơn. Nó có đường kính từng lớn hơn 3 lần Trái Đất, dù hiện nay đã thu nhỏ đáng kể.
Vệ tinh Io của sao Mộc nơi Voyager 1 lần đầu tiên phát hiện núi lửa đang phun ngoài Trái Đất, đã thay đổi hoàn toàn hiểu biết của con người về hoạt động địa chất trong Hệ Mặt Trời.
Last edited:
