Hai tàu STEREO dựng hình 3D các cơn bão Mặt Trời như thế nào?

Một đám vật chất khổng lồ đang rời Mặt Trời có thể trông giống mảng sáng phẳng trong ảnh, khiến hướng đi và hình dạng thật của nó khó xác định. STEREO-A và STEREO-B giải quyết điểm mù ấy bằng cách quan sát cùng hiện tượng từ hai vị trí khác nhau trên quỹ đạo quanh Mặt Trời. Sự chênh lệch giữa hai góc nhìn cho phép các nhà khoa học dựng cấu trúc ba chiều của những vụ phun trào nhật hoa, thay vì chỉ theo dõi một hình chiếu 2D. [1]

Điểm quan trọng không chỉ là tạo ra hình ảnh nổi. STEREO còn kết hợp quan sát từ xa với phép đo vật chất đi qua tàu, đồng thời mở rộng tầm nhìn sang những vùng Mặt Trời bị khuất khỏi Trái Đất. Nhờ vậy, một cơn bão có thể được theo dõi từ lúc xuất hiện gần Mặt Trời đến khi lan ra không gian liên hành tinh, nơi nó có thể ảnh hưởng vệ tinh, lưới điện hoặc các chuyến bay có người lái trong tương lai. [1]

Vì sao một ảnh Mặt Trời chưa đủ?

Máy ảnh ghi lại ánh sáng trên một mặt phẳng. Vì thế, một cấu trúc trải rộng trong không gian có thể bị nén thành đường viền hoặc mảng sáng, còn chiều sâu gần như biến mất. Với vụ phun trào nhật hoa, viết tắt là CME, sự thiếu hụt này đặc biệt đáng kể: ảnh đơn có thể cho thấy vật chất đang mở rộng nhưng khó biểu lộ đầy đủ hình dạng ba chiều và hướng chuyển động so với người quan sát. [1]

Có thể hình dung bằng một ví dụ đơn giản: khi chỉ nhắm một mắt, ta vẫn nhận ra một chiếc cốc nhưng ước lượng khoảng cách đến nó kém thuận tiện hơn. Mở cả hai mắt tạo ra hai hình hơi lệch nhau; não dùng độ lệch đó để cảm nhận chiều sâu. STEREO áp dụng nguyên lý nhìn lập thể tương tự ở quy mô lớn hơn nhiều, với hai tàu đóng vai trò hai điểm quan sát tách biệt.

Hai tàu tạo chiều sâu bằng cách nào?

Hai tàu gần như giống nhau được bố trí dọc theo quỹ đạo của Trái Đất quanh Mặt Trời, một tàu dần đi trước và tàu kia dần ở phía sau Trái Đất. Do không nhìn từ cùng một nơi, chúng ghi nhận một CME với đường viền, vị trí biểu kiến và mức che khuất khác nhau. Khi đối chiếu các đặc điểm tương ứng trong hai chuỗi ảnh, nhà khoa học có thêm thông tin để suy ra cấu trúc không gian của vụ phun trào. [1]

“Bản đồ 3D” ở đây nên được hiểu là mô hình hình học được dựng từ nhiều góc nhìn, không phải một vật thể ba chiều được chụp trực tiếp. Một chi tiết xuất hiện lệch sang hai phía trong hai ảnh cho biết nó nằm ở vị trí nào so với hướng ngắm của từng tàu. Nhiều điểm và nhiều thời điểm liên tiếp giúp bộc lộ cách toàn bộ cấu trúc mở rộng, thay đổi và rời xa Mặt Trời. [1]

Từ hình ảnh đến phép đo vật chất

Ảnh viễn thám theo dõi CME ngay từ khi nó xuất hiện ở vành nhật hoa rồi lan ra ngoài. Tuy nhiên, ảnh vẫn là thông tin thu nhận từ xa. Khi dòng vật chất thực sự đi qua vị trí một tàu STEREO, các thiết bị tại chỗ có thể đo trực tiếp vận tốc và mật độ của nó. Hai loại quan sát vì thế trả lời những câu hỏi khác nhau: CME trông ra sao trên đường đi, và vật chất tại điểm tàu gặp nó có đặc tính gì. [1]

Sự kết hợp này giống như theo dõi một trận mưa từ ảnh chụp trên cao rồi đặt một dụng cụ tại mặt đất để đo lượng nước đi qua, dù đây chỉ là ví dụ minh họa. Hình ảnh cung cấp bối cảnh rộng, còn phép đo tại chỗ cho dữ liệu ở một vị trí cụ thể. Đặt chúng cạnh nhau giúp nối hình dạng quan sát được với điều kiện thật mà tàu trải qua, thay vì coi mỗi loại dữ liệu là một câu chuyện riêng.

Nhìn vùng khuất thay đổi dự báo ra sao?

Từ Trái Đất, tại mỗi thời điểm ta chỉ nhìn trực diện được một phần Mặt Trời. Các vùng hoạt động ở phía khuất có thể phát triển trước khi vòng quay của Mặt Trời đưa chúng vào tầm quan sát. Vị trí phân tán của hai tàu STEREO từng cho phép chụp phía xa, nhờ đó giới nghiên cứu có thể biết thêm về những khu vực sẽ dần quay về phía Trái Đất và cải thiện dự báo hoạt động thời tiết không gian liên quan. [1]

Lợi ích của nhiều góc nhìn không nằm ở việc bảo đảm một dự báo hoàn hảo, mà ở chỗ giảm phần không gian bị bỏ trống. Nếu chỉ có một camera, một vụ phun trào hướng về phía người quan sát có thể khó phân biệt với vụ phun trào mở rộng theo hướng khác. Góc nhìn bổ sung giúp việc đánh giá hình học và đường lan truyền có cơ sở hơn, nhất là khi cần nhận biết cơn bão nào có khả năng đi về phía Trái Đất, Mặt Trăng hoặc Sao Hỏa. [1]

Vì sao cần theo dõi bão trên toàn hệ Mặt Trời?

Một CME mạnh hướng về Trái Đất có thể gây nhiễu hoạt động vệ tinh, tạo sai số GPS và tác động đến lưới điện. Trong không gian sâu, mối quan tâm còn mở rộng tới thiết bị điện tử của tàu và sức khỏe phi hành gia, đặc biệt khi các hạt năng lượng Mặt Trời đi kèm một sự kiện lớn. Vì vậy, dự báo thời tiết không gian không thể chỉ dừng ở câu hỏi điều gì sắp tới Trái Đất. [1]

Sự kiện ngày 23/7/2012 cho thấy giá trị của một thiết bị nằm đúng trên đường bão đi qua. Vụ phun trào lớn ấy không đánh trúng Trái Đất nhưng quét qua STEREO-A, cho phép các nhà khoa học trực tiếp nghiên cứu cấu trúc từ, sóng xung kích và các hạt năng lượng mà nó tạo ra. Trường hợp này cũng nhắc rằng việc một cơn bão không tới Trái Đất không có nghĩa nó biến mất; nó vẫn tiếp tục di chuyển trong hệ Mặt Trời. [1]

STEREO-B kết thúc nhiệm vụ vào năm 2018, còn STEREO-A tiếp tục phục vụ theo thông tin NASA công bố. Di sản quan trọng của cặp tàu là cách tiếp cận: đặt các điểm quan sát ở nhiều vị trí, nối ảnh từ xa với phép đo tại chỗ và theo dõi Mặt Trời như nguồn thời tiết của cả không gian liên hành tinh. Từ góc nhìn ấy, một bức ảnh phẳng không còn là đích đến mà là một mảnh dữ liệu trong mô hình ba chiều đang thay đổi theo thời gian. [1]