Bạn là ai? Lữ khách...bạn ở đâu? Bên ngoài...bạn đi đâu vậy? Đi đến một nơi xa xôi... Đối mặt với ba câu hỏi của tâm hồn, nếu người đưa ra những câu trả lời này là một cá nhân thì cũng không có gì to tát. Ai mà không bối rối và nổi loạn? Nhưng nếu là một con tàu vũ trụ trả lời được câu hỏi như thế này... thì các nhà khoa học trên mặt đất sẽ phát điên ngay tại chỗ.
Nếu bạn muốn khám phá các vì sao và biển cả, việc biết vị trí của mình mọi lúc thực sự là một chủ đề cơ bản. Tuy nhiên, điều này nói dễ hơn làm. Hãy nói ngắn gọn về nó tiếp theo.
Khách du lịch. Nguồn hình ảnh: NASA
Làm cách nào để tìm thấy “Bắc” trong không gian?
Đầu tiên hãy tưởng tượng một thử nghiệm: trong phòng khách của bạn, kéo rèm thật chặt để bạn không thể nhìn thấy ngón tay của mình. Sau đó, người chủ trì đeo kính nhìn đêm nắm tay bạn bước sang trái vài bước, sang phải vài bước rồi quay lại vài lần trong phòng. Nói tóm lại, đó là một bài tập ngẫu nhiên để đảm bảo rằng bạn hoàn toàn choáng váng.
Bây giờ tôi yêu cầu bạn cho biết vị trí của mình và chỉ về hướng cửa. Bạn vẫn có thể làm được chứ? Còn nói "hoàn toàn choáng váng và không thể tìm thấy phương bắc" thì sao?
Lúc này, tôi thấy người dẫn chương trình đặt một quả bóng huỳnh quang có ánh sáng rất yếu chỉ có thể chiếu sáng một khu vực nhỏ trên bàn và nói: "Đây là bàn ăn của anh." Chúng ta có thể chỉ ngay hướng cửa được không? Tôi e là vẫn không được, vì chỉ với dấu hiệu này thôi, chúng ta vẫn không cách nào biết được mình đang ở đâu.
Bây giờ người dẫn chương trình lấy ra một quả bóng huỳnh quang khác và nói: "Chiếc ghế sofa nhỏ mà bạn thích ngồi ở đây." Lúc này, kỹ năng điều hướng của chúng ta sẽ được kích hoạt ngay lập tức và chúng ta có thể dễ dàng chỉ ra vị trí của mọi đồ đạc trong nhà.
Sử dụng hai chiếc đèn nhỏ này làm tham chiếu, chúng ta thậm chí có thể đi lùi về phía cửa. Điều này là do đối với một địa điểm như một căn phòng có thể được đơn giản hóa thành một bản đồ phẳng, chúng ta có thể xác định vị trí của mình bằng hai đối tượng tham chiếu rõ ràng.
Vậy thì câu hỏi đặt ra là, làm thế nào một máy dò di chuyển trong không gian hoang sơ biết được vị trí và hướng của nó——Tôi là ai? Tôi đang ở đâu? Tôi đang đi đâu vậy?
Khi tàu vũ trụ xác định vị trí của nó, nó tương tự như cách chúng ta làm trong một căn phòng nhỏ màu đen, nhưng việc xác định vị trí của nó trong không gian ba chiều rộng lớn sẽ khó khăn hơn. Nếu nó muốn đến đích một cách chính xác thì phải được cung cấp đủ đối tượng tham chiếu rõ ràng để nó phán đoán vị trí, thái độ và hướng bay của mình.
Chỉ khi nhìn chằm chằm về hướng nhà, bạn mới có thể chạy vào khoảng cách
Máy dò Voyager 2 nổi tiếng là một ví dụ. Nó được trang bị cảm biến năng lượng mặt trời và thiết bị theo dõi Canopus, luôn kiểm soát vị trí của mặt trời và Canopus, ngôi sao sáng thứ hai trên bầu trời. Với hai ngôi sao này làm tài liệu tham khảo, du khách có thể tiến về phía trước “ngược lại” để khám phá hệ mặt trời và không gian bao la.
Bạn có thể hỏi: Tại sao chúng ta nên theo dõi ngôi sao sáng thứ hai? Tại sao không chọn Sirius số một? Vì Sirius ở quá gần đường hoàng đạo nên đường đi của ánh sáng dễ bị nhiễu loạn bởi ánh sáng chói từ hướng mặt trời. Canopus cách mặt trời đủ xa nên nó là một tham chiếu định hướng lý tưởng.
Trong thời đại phát triển Du hành, mọi chương trình và mọi ký ức đều quý giá. Phương pháp xác định “thứ xuất hiện trong máy theo dõi là Canopus” của nó vẫn còn rất thô sơ, đó là đo độ sáng của ngôi sao và gửi nó trở lại trái đất để xác nhận: “Ừ, thế thôi, cứ nhìn chằm chằm vào nó đi”.
Người đọc đang suy nghĩ sẽ hét lên dừng lại ở đây: đợi một chút! Bạn nói rằng các du khách đã gửi dữ liệu độ sáng về Trái đất để xác nhận? Nhưng vì những gì xuất hiện trong thiết bị theo dõi không nhất thiết phải là Canopus và ăng-ten của máy dò có thể không hướng vào trái đất, làm sao bạn có thể đảm bảo rằng trái đất có thể nhận được dữ liệu?
Các nhà khoa học cũng rất cẩn thận trong suy nghĩ của mình. Họ yêu cầu các du khách sử dụng các ăng-ten có mức tăng thấp khác nhau để liên lạc với trái đất thay vì các ăng-ten có mức tăng cao để truyền định hướng trong 80 ngày đầu tiên của sứ mệnh. Lúc này, tàu thăm dò chưa bay xa nên dù không hướng hẳn về trái đất nhưng việc liên lạc giữa hai bên cũng không có vấn đề gì.
Ngày nay, khi trí nhớ không còn giá trị, người ta lưu trữ dữ liệu quang phổ của nhiều ngôi sao sáng trong máy dò và để nó tự đưa ra phán đoán dựa trên độ sáng và quang phổ.
Một số nhà sản xuất thiết bị theo dõi sao thậm chí còn đưa khoảng cách góc giữa các cặp sao sáng vào cơ sở dữ liệu. Vì vị trí của các ngôi sao sáng rất ngẫu nhiên nên mỗi dữ liệu khoảng cách là duy nhất và rất đáng tin cậy.
Ví dụ: nếu trình theo dõi nhìn thấy hai ngôi sao sáng cách nhau 27,1045°, bạn có thể kiểm tra chúng trong thư viện và xác định ngay rằng chúng là Sirius và Betelgeuse. Sau khi nhanh chóng khóa danh tính của cả hai bên, bạn có thể đo quang phổ hoặc tìm một ngôi sao khác để so sánh và bạn có thể xác định ai là Sirius và ai là Betelgeuse.
Voyager 2, nó thực sự đã trượt...
Vậy, điều gì sẽ xảy ra nếu phi thuyền đang bay và đột nhiên mất dấu vị trí của nó? Một khả năng là chúng đã đi chệch hướng, trôi đi cho đến khi bị mất tích và một số tàu vũ trụ có thể được trục vớt.
Ví dụ, cách đây không lâu, tàu thăm dò huyền thoại Du hành 2, đã bay trong vũ trụ suốt 46 năm, suýt bị lạc. Vào ngày 21 tháng 7, NASA đã gửi một số hướng dẫn tới Du hành 2, nhưng có một lỗi trong đó làm lệch ăng-ten vốn hướng về Trái đất 2°. Khái niệm 2° là gì?
Nếu bạn giữ cánh tay phẳng một lúc, chắc chắn cánh tay của bạn sẽ run khi bạn mệt mỏi. Lấy vai làm trục, cánh tay sẽ di chuyển lên xuống từ 1° đến 2°. Lúc này, đầu ngón tay sẽ chỉ di chuyển một hoặc hai centimet. Lý do là vì cánh tay của người trưởng thành chỉ dài nửa mét.
Tuy nhiên, Du hành 2 đã bay được 20 tỷ km. Độ lệch góc nhỏ 2° này sẽ làm cho tâm chùm tín hiệu của nó lệch khỏi trái đất 700 triệu km - trái đất chỉ cách mặt trời 150 triệu km! Cái gọi là “một lỗi nhỏ có thể đi xa ngàn dặm”, câu nói này thật phù hợp với vũ trụ. Kết quả là Voyager 2 mất liên lạc.
Các nhà khoa học trên Trái đất vỗ đùi hối hận khi cố gắng lấy lại nó.
Vào ngày 1 tháng 8, họ phát hiện ra rằng mạng thám hiểm không gian sâu liên lạc với khách du lịch cũng có thể ngửi thấy dấu vết của tín hiệu sóng mang "Tôi vẫn còn sống". Vào ngày 3 tháng 8, các nhà khoa học đã sử dụng đường lên băng tần S 100 kilowatt của Mạng thám hiểm không gian sâu ở Canberra để "hét" về phía Du hành 2: "Bạn có cái đầu." Quay lại~”
Ăng-ten của Mạng lưới thám hiểm không gian sâu ở Canberra. Nguồn hình ảnh: NASA
Mặc dù tín hiệu do Du hành 2 gửi đi đã lệch khỏi trái đất, nhưng trái đất sẽ không nhầm lẫn vị trí của nó và trái đất sẽ không nhầm lẫn vị trí của nó
Nếu tiếng kêu này không có tác dụng, liệu Voyager 2 có bị mất tích vĩnh viễn không? căn chỉnh lại ăng-ten của nó với trái đất. Ngày 15 tháng 10 vừa trôi qua là một ngày như vậy trong kế hoạch, nhưng tốt hơn hết là đừng để mất nó...
Điều chỉnh tốt là cần thiếtTA GPH36
Điều quan trọng là tàu vũ trụ phải biết nó ở đâu và nó cũng vậy. Điều quan trọng là phải biết và có thể điều chỉnh thái độ của nó. Giả sử một vệ tinh dùng để chụp ảnh bề mặt trái đất bị lộn ngược mà không biết, thì mọi thứ sẽ trở nên vô ích. May mắn thay, với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, chúng ta không thiếu công nghệ cảm biến thái độ và định vị không gian
Ví dụ: những thay đổi ngắn hạn trong lộ trình, thái độ hoặc tốc độ của tàu vũ trụ có thể được phát hiện bằng con quay hồi chuyển và gia tốc kế. sử dụng nguyên lý bảo toàn mômen động lượng để cảm nhận sự thay đổi hướng và gia tốc kế cảm nhận được sự thay đổi về tốc độ.
Giống như cậu bé thiên tài bị bọn cướp bắt cóc trong phim, cậu có thể biết chiếc xe đã rẽ bao nhiêu vòng (con quay hồi chuyển) và bao nhiêu đèn đã chờ (gia tốc kế) khi bị bịt mắt.
Hướng của ngôi sao được đề cập nhiều lần trước đây không chỉ cho phép tàu vũ trụ biết nó ở đâu mà còn cho phép tàu vũ trụ biết được thái độ hiện tại của nó.
Cũng giống như khi chúng ta ở trong phòng riêng của mình, thậm chí không cần quan tâm đến trọng lực, khi chúng ta nhìn thấy trần nhà trước mặt, chân hướng vào tường và đầu tựa vào một bức tường khác, chúng ta biết rằng mình đang nằm thẳng. Sau khi hiểu được tư thế của chính mình, tàu vũ trụ có thể chỉ ra nơi để tiến hành quan sát.
Ví dụ: Trường sâu Hubble được tổng hợp sau khi chụp 342 bức ảnh về một vùng trời chỉ dài 2,6 phút cung trong chòm sao Đại Hùng, trong khi kính thiên văn Kepler khóa tầm nhìn giữa các chòm sao Cygnus và Lyra.
Khu vực quan sát của kính thiên văn Kepler Nguồn hình ảnh NASA
Đối với các tàu vũ trụ như vệ tinh liên lạc và vệ tinh thời tiết bay gần trái đất, vốn luôn hướng về trái đất nên chúng cũng phải lộn nhào mỗi khi bay vòng quanh trái đất. trái đất.
Ngoài việc theo dõi các ngôi sao hoặc sử dụng con quay hồi chuyển để xác định thái độ, còn có một số phương pháp chi phí thấp và đáng tin cậy. Ví dụ: đường chân trời hồng ngoại có thể nhanh chóng nhận biết đường viền hình tròn của Trái đất bằng cách so sánh bức xạ hồng ngoại của bầu khí quyển Trái đất với không gian lạnh, với tâm của vòng tròn là trái đất ngay bên dưới tàu vũ trụ.
Thiết bị đo đường chân trời hồng ngoại thu được đường viền của trái đất bằng cách quan sát sự tăng giảm đột ngột của bức xạ hồng ngoại và xác định thái độ của chính nó. Vệ tinh đang bay qua Tây An. Sơ đồ do tác giả tạo ra
Bạn vẫn có thể thắc mắc về việc theo dõi ngôi sao: các ngôi sao được phân bổ trong không gian ba chiều, thay vì cố định trên một hình cầu. Ngay cả trên một bề mặt hình cầu, khi tàu vũ trụ tăng tốc trong không gian, làm sao vị trí của các ngôi sao có thể không thay đổi? Làm cách nào tôi có thể kiểm tra nó trong cơ sở dữ liệu?
Điều này là do các ngôi sao ở quá xa. Ngay cả ngôi sao gần nhất Proxima Centauri cũng cách 4,22 năm ánh sáng.
Voyager 2 đã bay hết mình trong 46 năm và vừa đạt được 1/2000 khoảng cách tới Proxima Centauri! Nó giống như đặt chúng ta vào giữa một vòng tròn có bán kính hai mét, yêu cầu chúng ta dịch nó một milimet trong 46 năm và hỏi liệu chúng ta có cảm thấy thay đổi gì không. Trong mắt tàu vũ trụ, ngoại trừ mặt trời, vị trí của các ngôi sao hầu như không bao giờ di chuyển.
Nhưng nếu phi thuyền của chúng ta tồn tại mãi mãi, hoặc đơn giản là chúng ta đến một "trái đất lang thang" và tiếp tục bay và quan sát, khi du hành giữa các vì sao, vị trí của các ngôi sao trong mắt chúng ta sẽ dần thay đổi, các chòm sao quen thuộc cũng sẽ trở nên mất hình dạng, và các phương pháp nhận thức thái độ hiện có sẽ không hiệu quả.
Tất nhiên, có hai giải pháp. Một là sử dụng các thiên hà xa hơn làm tài liệu tham khảo. Chúng cách chúng ta hàng chục triệu năm ánh sáng, có quy mô lớn hơn và do đó ổn định hơn.
Thứ hai là sử dụng nhiều thông tin hơn về các ngôi sao, không chỉ hướng mà còn cả khoảng cách, chuyển động thích hợp, v.v., để tàu vũ trụ có thể tự tính toán hướng của ngôi sao tham chiếu sẽ thay đổi như thế nào khi nó bay đến nơi nó bay. Để làm được điều này, chúng ta phải đo khoảng cách tới các ngôi sao thật chính xác.
Tóm tắt
Điều quan trọng là tàu vũ trụ phải biết vị trí và thái độ của nó. Điều này đòi hỏi một đối tượng tham chiếu và đối tượng tham chiếu được sử dụng phổ biến nhất là một ngôi sao. Khi con người tiếp tục di chuyển về phía biển sao, bản đồ sao của chúng ta chắc chắn sẽ ngày càng chính xác và lớn hơn, giúp nhiều tàu vũ trụ bay đến những nơi xa xôi hơn.
Kế hoạch và sản xuất
Tác giả丨Qu Jiong, nhà sáng tạo khoa học đại chúng
Đánh giá丨Liu Yong Nhà nghiên cứu khoa học Trung Quốc thuộc Trung tâm Khoa học Vũ trụ Quốc gia của Trung Quốc Đại học
Người lập kế hoạch丨Ding Er
Biên tập viên丨Bai Li