Voyager 2 bay bằng cả Sao Thiên Vương (R) và Sao Hải Vương (L) và tiết lộ các tính chất, màu sắc, khí quyển và hệ thống vành đai của cả hai thế giới. Cả hai đều có nhẫn, nhiều mặt trăng thú vị, và các hiện tượng khí quyển và bề mặt mà chúng ta đang chờ đợi để điều tra. (NASA / VOYAGER 2)

Hỏi Ethan: Chúng ta có thể gửi một nhiệm vụ giống như Cassini đến Sao Thiên Vương hay Sao Hải Vương không?

Tàu vũ trụ Cassini của NASA đã dạy chúng ta nhiều hơn những gì chúng ta tưởng tượng về Sao Thổ. Chúng ta có thể làm điều gì đó tương tự cho Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương không?

Từ nơi chúng ta ở trong Hệ Mặt trời, nhìn ra Vũ trụ xa xôi với các đài quan sát trên mặt đất và không gian mạnh mẽ của chúng ta đã cho chúng ta quan điểm và kiến ​​thức mà nhiều người trong chúng ta không bao giờ nghĩ rằng mình đạt được. Nhưng vẫn không có sự thay thế nào cho việc thực sự du hành đến một địa điểm xa xôi, vì các nhiệm vụ dành riêng cho nhiều hành tinh đã dạy chúng ta. Bất chấp tất cả các nguồn lực chúng tôi dành cho khoa học hành tinh, chúng tôi chỉ gửi một nhiệm vụ tới Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương: Voyager 2, chỉ bay theo họ. Triển vọng của chúng ta cho một sứ mệnh quỹ đạo đến những thế giới bên ngoài đó là gì? Đó là những gì người hỗ trợ Patreon của chúng tôi, Erik Jensen muốn biết, khi anh hỏi:

Có một cửa sổ xuất hiện khi tàu vũ trụ có thể được gửi tới Sao Thiên Vương hoặc Sao Hải Vương bằng cách sử dụng Sao Mộc để tăng lực hấp dẫn. Những hạn chế trong việc sử dụng này là gì nhưng có thể làm chậm đủ để đi vào quỹ đạo xung quanh người khổng lồ băng đá Cameron?

Hãy xem nào.

Mặc dù kiểm tra trực quan cho thấy một khoảng cách lớn giữa các thế giới có kích thước Trái đất và sao Hải Vương, nhưng thực tế là bạn chỉ có thể lớn hơn Trái đất khoảng 25% và vẫn còn nhiều đá. Bất cứ điều gì lớn hơn, và bạn là một người khổng lồ khí. Trong khi Sao Mộc và Sao Thổ có các phong bì khí khổng lồ, bao gồm khoảng 85% các hành tinh đó, thì sao Hải Vương và Sao Thiên Vương rất khác nhau, và nên có các đại dương lỏng, lớn bên dưới bầu khí quyển của chúng. (HỌC VIỆN LUNAR VÀ PLANETary)

Hệ mặt trời là một nơi phức tạp - nhưng rất may, thường xuyên -. Cách tốt nhất để đến Hệ Mặt trời bên ngoài, có nghĩa là, bất kỳ hành tinh nào ngoài Sao Mộc, là sử dụng chính Sao Mộc để giúp bạn đến đó. Trong vật lý, bất cứ khi nào bạn có một vật thể nhỏ (như tàu vũ trụ) bay bằng một vật thể lớn, đứng yên (như một ngôi sao hoặc hành tinh), lực hấp dẫn có thể thay đổi vận tốc rất lớn, nhưng tốc độ của nó phải giữ nguyên.

Nhưng nếu có một đối tượng thứ ba quan trọng về mặt hấp dẫn, câu chuyện đó sẽ thay đổi một chút và theo cách đặc biệt phù hợp để tiếp cận Hệ Mặt trời bên ngoài. Một tàu vũ trụ bay ngang qua, nói, một hành tinh gắn liền với Mặt trời, có thể tăng hoặc giảm tốc độ bằng cách đánh cắp động lực hoặc từ bỏ động lực đối với hệ hành tinh / Mặt trời. Hành tinh to lớn không quan tâm, nhưng tàu vũ trụ có thể tăng tốc (hoặc giảm tốc) tùy theo quỹ đạo của nó.

Một súng cao su hấp dẫn, như được chỉ ra ở đây, là cách một tàu vũ trụ có thể tăng tốc độ của nó thông qua một hỗ trợ trọng lực. (WIKIMEDIA NGƯỜI DÙNG ZEIMUSU)

Kiểu cơ động này được biết đến như một công cụ hỗ trợ trọng lực, và điều cần thiết là đưa cả Voyager 1 và Voyager 2 trên đường ra khỏi Hệ mặt trời, và gần đây hơn, trong việc đưa Chân trời mới bay qua Sao Diêm Vương. Mặc dù Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương có chu kỳ quỹ đạo dài ngoạn mục lần lượt là 84 và 165 năm, các cửa sổ nhiệm vụ để nhận được chúng tái diễn sau mỗi 12 năm hoặc lâu hơn: mỗi khi Sao Mộc hoàn thành quỹ đạo.

Một tàu vũ trụ được phóng từ Trái đất thường bay bởi một số hành tinh bên trong một vài lần để chuẩn bị cho sự hỗ trợ trọng lực từ Sao Mộc. Một con tàu vũ trụ bay qua một hành tinh có thể bị bắn ra theo phương châm - súng cao su hấp dẫn là một từ để hỗ trợ trọng lực giúp tăng cường - đến tốc độ và năng lượng lớn hơn. Nếu chúng ta muốn, sự sắp xếp là đúng mà chúng ta có thể khởi động một nhiệm vụ đến Sao Hải Vương ngày hôm nay. Sao Thiên Vương, gần gũi hơn, thậm chí còn dễ dàng hơn để đến được.

Đường bay của NASA cho tàu thăm dò Messenger, đi lên quỹ đạo thành công, ổn định quanh Sao Thủy sau một số hỗ trợ trọng lực. Câu chuyện tương tự nếu bạn muốn đi đến Hệ mặt trời bên ngoài, ngoại trừ bạn sử dụng trọng lực để thêm vào tốc độ nhật tâm của mình, thay vì trừ đi. (NASA / JHUAPL)

Một thập kỷ trước, nhiệm vụ Argo đã được đề xuất: nó sẽ bay - bởi các vật thể vành đai Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Hải Vương và Kuiper, với một cửa sổ khởi động kéo dài từ 2015 đến 2019. Nhưng các nhiệm vụ bay rất dễ dàng, bởi vì bạn không có để làm chậm tàu ​​vũ trụ. Đưa nó vào quỹ đạo quanh một thế giới khó hơn, nhưng nó cũng bổ ích hơn nhiều.

Thay vì một lần vượt qua, một quỹ đạo có thể giúp bạn phủ sóng toàn thế giới, nhiều lần, trong thời gian dài. Bạn có thể thấy những thay đổi trong bầu khí quyển của một thế giới và kiểm tra nó liên tục trong nhiều bước sóng khác nhau mà mắt người không nhìn thấy được. Bạn có thể tìm thấy mặt trăng mới, vòng mới và hiện tượng mới mà bạn không bao giờ ngờ tới. Bạn thậm chí có thể gửi một tàu đổ bộ hoặc tàu thăm dò đến hành tinh hoặc một trong những mặt trăng của nó. Tất cả những điều đó và nhiều hơn nữa đã xảy ra xung quanh Sao Thổ với nhiệm vụ Cassini mới hoàn thành.

Một hình ảnh năm 2012 (L) và năm 2016 (R) của cực bắc Sao Thổ, cả hai được chụp bằng camera góc rộng Cassini. Sự khác biệt về màu sắc là do những thay đổi trong thành phần hóa học của khí quyển Sao Thổ, được gây ra bởi những thay đổi quang hóa trực tiếp. (HỌC VIỆN KHOA HỌC NASA / JPL-CALTECH / SPACE)

Cassini không chỉ tìm hiểu về các tính chất vật lý và khí quyển của Sao Thổ, mặc dù nó đã làm điều đó một cách ngoạn mục. Nó không chỉ là hình ảnh và tìm hiểu về những chiếc nhẫn, mặc dù nó cũng làm như vậy. Điều đáng kinh ngạc nhất là chúng tôi đã quan sát những thay đổi và sự kiện thoáng qua mà chúng tôi không bao giờ có thể dự đoán được. Sao Thổ thể hiện sự thay đổi theo mùa, tương ứng với sự thay đổi hóa học và màu sắc xung quanh các cực của nó. Một cơn bão khổng lồ đã phát triển trên Sao Thổ, bao vây hành tinh và kéo dài trong nhiều tháng. Các vành đai của Sao Thổ được tìm thấy có cấu trúc thẳng đứng dữ dội và thay đổi theo thời gian; chúng năng động và không tĩnh, và cung cấp một phòng thí nghiệm để dạy chúng ta về sự hình thành hành tinh và mặt trăng. Và, với dữ liệu của nó, chúng tôi đã giải quyết các vấn đề cũ và khám phá những bí ẩn mới về các mặt trăng của nó Iapetus, Titan và Enceladus, trong số những người khác.

Trong khoảng thời gian 8 tháng, cơn bão lớn nhất trong Hệ Mặt trời đã hoành hành, bao vây toàn bộ thế giới khí khổng lồ và có khả năng phù hợp với khoảng 10 đến 12 Trái đất bên trong. (HỌC VIỆN KHOA HỌC NASA / JPL-CALTECH / SPACE)

Có chút nghi ngờ chúng tôi muốn làm điều tương tự cho Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương. Nhiều nhiệm vụ quay quanh Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương đã được đề xuất và thực hiện khá xa trong quá trình đệ trình nhiệm vụ, nhưng không có nhiệm vụ nào thực sự được dự kiến ​​sẽ được xây dựng hoặc bay. NASA, ESA, JPL và Vương quốc Anh đều đã đề xuất các quỹ đạo Uranus vẫn đang hoạt động, nhưng không ai biết tương lai sẽ ra sao.

Cho đến nay, chúng ta chỉ nghiên cứu những thế giới này từ xa. Nhưng có một hy vọng to lớn cho một nhiệm vụ trong tương lai trong nhiều năm kể từ bây giờ, khi các cửa sổ khởi động để tiếp cận cả hai thế giới sẽ cùng một lúc. Vào năm 2034, nhiệm vụ ODINUS theo khái niệm sẽ gửi các quỹ đạo sinh đôi đến cả Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương cùng một lúc. Nhiệm vụ này sẽ là một liên doanh ngoạn mục giữa NASA và ESA.

Hai vòng cuối cùng (ngoài cùng) của Thiên vương tinh, được phát hiện bởi Hubble. Chúng tôi đã phát hiện ra rất nhiều cấu trúc trong các vòng bên trong của Thiên vương tinh từ chiếc máy bay Voyager 2, nhưng một quỹ đạo có thể cho chúng ta thấy nhiều hơn nữa. (NASA, ESA, VÀ M. SHOWALTER (HỌC VIỆN SETI))

Một trong những nhiệm vụ lớn, thuộc lớp hàng đầu được đề xuất cho cuộc khảo sát phân rã khoa học hành tinh của NASA vào năm 2011 là tàu thăm dò và quỹ đạo sao Thiên Vương. Nhiệm vụ này được xếp hạng ưu tiên thứ ba, sau rover Mars 2020 và quỹ đạo Europa Clip. Một tàu thăm dò và quỹ đạo sao Thiên Vương có thể ra mắt trong những năm 2020 với cửa sổ 21 ngày mỗi năm: khi Trái đất, Sao Mộc và Sao Thiên Vương đạt đến vị trí tối ưu. Quỹ đạo sẽ có ba dụng cụ riêng biệt trên đó được thiết kế để hình ảnh và đo lường các tính chất khác nhau của Sao Thiên Vương, các vành đai và mặt trăng của nó. Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương nên có những đại dương lỏng khổng lồ bên dưới bầu khí quyển của chúng, và một quỹ đạo sẽ có thể khám phá ra nó. Đầu dò khí quyển sẽ đo các phân tử hình thành đám mây, phân phối nhiệt và tốc độ gió thay đổi theo độ sâu.

Nhiệm vụ ODINUS, được ESA đề xuất như một liên doanh với NASA, sẽ khám phá cả Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương với một bộ quỹ đạo sinh đôi. (NHÓM ODINUS - MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

Được đề xuất bởi chương trình Tầm nhìn vũ trụ của ESA, Nguồn gốc, Động lực và Nội thất của nhiệm vụ Hệ thống Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương (ODINUS) thậm chí còn đi xa hơn: mở rộng khái niệm này lên hai quỹ đạo song sinh, sẽ gửi một đến Sao Hải Vương và một cho Sao Thiên Vương. Một cửa sổ khởi động vào năm 2034, trong đó Trái đất, Sao Mộc, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương đều thẳng hàng với nhau, có thể gửi cả hai cùng một lúc.

Nhiệm vụ Flyby rất tốt cho những lần gặp đầu tiên, vì bạn có thể tìm hiểu rất nhiều về một thế giới bằng cách nhìn thấy nó ở gần. Chúng cũng tuyệt vời vì chúng có thể đạt được nhiều mục tiêu, trong khi các quỹ đạo bị mắc kẹt ở bất kỳ thế giới nào chúng chọn trên quỹ đạo. Cuối cùng, các quỹ đạo phải mang nhiên liệu lên máy bay để thực hiện đốt cháy, làm chậm và đi vào quỹ đạo ổn định, khiến cho một nhiệm vụ tốn kém hơn nhiều. Nhưng khoa học bạn có được từ việc tồn tại lâu dài trên một hành tinh, tôi sẽ tranh luận, nhiều hơn là bù đắp cho nó.

Khi bạn quay quanh một thế giới, bạn có thể nhìn thấy nó từ mọi phía, cũng như các vành đai, mặt trăng của nó và cách chúng hành xử theo thời gian. Chẳng hạn, nhờ có Cassini, chúng tôi đã phát hiện ra sự tồn tại của một chiếc nhẫn mới bắt nguồn từ tiểu hành tinh Phoebe bị bắt và vai trò của nó trong việc làm tối chỉ một nửa mặt trăng bí ẩn Iapetus. (SMITHSONIAN AIR & SPACE, DERIVED TỪ HÌNH ẢNH NASA / CASSINI)

Những hạn chế hiện tại đối với một nhiệm vụ như thế này không đến từ những thành tựu kỹ thuật; công nghệ tồn tại để làm điều đó ngày hôm nay. Những khó khăn là:

  • Chính trị: bởi vì ngân sách của NASA là hữu hạn và hạn chế, và tài nguyên của nó phải phục vụ toàn bộ cộng đồng,
  • Về mặt vật lý: bởi vì ngay cả với phương tiện nâng hạng nặng mới của NASA, phiên bản chưa rút của SLS, chúng tôi chỉ có thể gửi một khối lượng giới hạn cho hệ mặt trời bên ngoài, và
  • Thực tế: bởi vì ở những khoảng cách đáng kinh ngạc này từ Mặt trời, các tấm pin mặt trời sẽ không làm được. Chúng ta cần các nguồn phóng xạ để cung cấp năng lượng cho một tàu vũ trụ ở xa này và chúng ta có thể không đủ để thực hiện công việc.

Điều cuối cùng, ngay cả khi mọi thứ khác phù hợp, có thể là người giải quyết.

Một viên oxit Plutonium-238 phát sáng từ sức nóng của chính nó. Cũng được sản xuất như một sản phẩm phụ của các phản ứng hạt nhân, Pu-238 là hạt nhân phóng xạ dùng để cung cấp năng lượng cho các phương tiện không gian sâu, từ Mars Curiosity Rover đến tàu vũ trụ Voyager cực xa. (SỞ NĂNG LƯỢNG Hoa Kỳ)

Plutonium-238 là một đồng vị được tạo ra trong quá trình xử lý vật liệu hạt nhân và hầu hết các cửa hàng của chúng tôi đến từ thời điểm chúng tôi đang tích cực tạo ra và dự trữ vũ khí hạt nhân. Việc sử dụng nó như một máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ (RTG) đã rất ngoạn mục cho các nhiệm vụ tới Mặt trăng, Sao hỏa, Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Diêm Vương và hàng loạt tàu thăm dò không gian sâu, bao gồm tàu ​​vũ trụ Tiên phong và Voyager.

Nhưng chúng tôi đã ngừng sản xuất nó vào năm 1988 và các lựa chọn của chúng tôi để mua nó từ Nga đã giảm dần khi họ cũng ngừng sản xuất nó. Một nỗ lực gần đây để tạo ra Pu-238 mới tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge đã bắt đầu, sản xuất khoảng 2 ounce vào cuối năm 2015. Tiếp tục phát triển ở đó, cũng như bởi Ontario Power Generation, có thể tạo ra đủ sức mạnh cho nhiệm vụ vào những năm 2030 .

Kết hợp hai phơi sáng 591 giây thu được qua bộ lọc rõ ràng của máy ảnh góc rộng từ Voyager 2, cho thấy hệ thống vòng đầy đủ của Sao Hải Vương với độ nhạy cao nhất. Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương có nhiều điểm tương đồng, nhưng một nhiệm vụ chuyên dụng cũng có thể phát hiện ra sự khác biệt chưa từng có. (NASA / JPL)

Bạn di chuyển càng nhanh khi bạn gặp một hành tinh, bạn càng cần thêm nhiên liệu vào tàu vũ trụ để giảm tốc độ và đưa mình vào quỹ đạo. Đối với một nhiệm vụ đến Sao Diêm Vương, không có cơ hội; Chân trời mới quá nhỏ và tốc độ của nó quá lớn, cộng với khối lượng của Sao Diêm Vương khá thấp để thử và thực hiện thao tác chèn quỹ đạo. Nhưng đối với Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương, đặc biệt nếu chúng ta chọn đúng trọng lực hỗ trợ từ Sao Mộc và có thể là Sao Thổ, điều này có thể khả thi. Nếu chúng tôi muốn đi chỉ Uranus, chúng tôi có thể ra mắt bất kỳ năm nào trong những năm 2020. Nhưng nếu chúng ta muốn đi cho cả hai, điều chúng ta làm, năm 2034 là năm để đi! Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương có thể trông giống chúng ta về khối lượng, nhiệt độ và khoảng cách, nhưng chúng có thể thực sự khác biệt như Trái đất so với Sao Kim. Chỉ có một cách để tìm hiểu. Với một chút may mắn, và rất nhiều đầu tư và làm việc chăm chỉ, chúng ta có thể tìm hiểu trong cuộc sống của mình.

Gửi câu hỏi Hỏi Ethan của bạn đến startedwithabang tại gmail dot com!

(Lưu ý: Cảm ơn người hỗ trợ Patreon Erik Jensen đã hỏi!)

Starts With A Bang hiện đã có mặt trên Forbes và được tái bản trên Medium nhờ những người ủng hộ Patreon của chúng tôi. Ethan là tác giả của hai cuốn sách Beyond The Galaxy và Treknology: The Science of Star Trek from Tricnings to Warp Drive.