fbpx

Chuyến bay SPIDER: Khinh khí cầu ở Nam Cực nghiên cứu sự ra đời của vũ trụ

khinh khí cầu

Quan sát sự khởi đầu của vũ trụ bằng khinh khí cầu tại Nam Cực từ ngày tận cùng của Trái Đất.

 khinh khí cầu
Bầu trời đêm tuyệt đẹp ở Palestine, Texas, đôi khi cho các nhà nghiên cứu một cái cớ để thư giãn trước khi quay trở lại cơ sở NASA của họ và tiếp tục thử nghiệm khả năng bay của SPIDER.

Đối với William Jones và Anne Gambrel, tầm nhìn tốt nhất của vũ trụ là từ khoảng 20 dặm (32 km) trên các “cánh đồng băng” của Nam Cực. Từ vị trí thuận lợi đặc biệt đó, Kính viễn vọng có thể quan sát ánh sáng mờ nhạt của vũ trụ – tàn tích ánh sáng đầu tiên phát ra từ Vụ nổ lớn gần 14 tỷ năm trước.

Được đặt tên là SPIDER (Máy đo phân cực quỹ đạo dưới mặt đất cho lạm phát, bụi và kỷ nguyên tái ion hóa), kính thiên văn được thiết kế để trả lời một số câu hỏi lâu dài nhất về tốc độ mở rộng vũ trụ trong sự tồn tại. Dữ liệu thu thập được từ SPIDER cũng có thể giúp các nhà nghiên cứu giải thích các khía cạnh tò mò khác của vũ trụ – chẳng hạn như nhiệt độ gần như đồng nhất và độ phẳng đặc biệt của nó – mà lý thuyết Big Bang không thể giải thích được.

Mặc dù vậy, trong thập kỷ qua, nhóm nghiên cứu, do Jones, phó giáo sư vật lý tại Đại học Princeton dẫn đầu, đã phải đối mặt với nhiều vấn đề Trái Đất hơn: chính phủ đóng cửa, thời tiết bất hợp tác và bây giờ, một đại dịch toàn cầu – tất cả đều đã hủy bỏ ra mắt. Kể từ khi nhận được tài trợ vào năm 2010, SPIDER chỉ hoàn thành một trong hai chuyến bay theo kế hoạch.

Sự chậm trễ không chỉ làm chậm tiến độ khoa học mà còn cả sự nghiệp của nhóm nghiên cứu. Nhiều nhà khoa học, như Gambrel – người đã từng làm việc với Jones tại Princeton trước khi trở thành nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Chicago vào năm 2018 – đã phải đẩy lùi luận án của họ hoặc thay đổi nghiên cứu của họ do những thất bại

Và câu chuyện của SPIDER phản ánh cuộc đấu tranh của các nhà vũ trụ học. Các kính thiên văn phải vượt qua thời tiết khắc nghiệt để thu thập các phép đo chính xác một cách tỉ mỉ. John Kovac, nhà thiên văn học tại Đại học Harvard, người đang dẫn đầu một nhóm nghiên cứu riêng biệt đến Nam Cực, nói với Astronomy rằng: “Sự chậm trễ, thách thức và rủi ro thuộc loại này hay loại khác có rất nhiều . “[Thu thập dữ liệu] là một sự đầu tư và nỗ lực lâu dài.”

Nhưng cả SPIDER và các nhà khoa học đều nhấn mạnh. Đó là bởi vì các thí nghiệm như thế này là một trong số ít cách để quan sát các điều kiện khắc nghiệt của vũ trụ sơ khai, nơi nhiệt độ nóng hơn một nghìn tỷ lần so với bất cứ thứ gì được tạo ra trong các thí nghiệm do con người tạo ra. Và ở những nhiệt độ đó, hiểu biết về vật lý của chúng ta về cơ bản bị phá vỡ.

Các quy luật tự nhiên mà chúng ta có thể nghiên cứu ở đây trên Trái Đất chỉ giới hạn ở những gì chúng ta có thể tiếp cận được, Jones giải thích. “Chưa hết, ai có thể nói rằng những quy luật tự nhiên nào áp dụng trên quy mô lớn hơn? Và nếu bạn muốn chọc ngoáy vào điều đó, bạn cần sử dụng vũ trụ như một phòng thí nghiệm ”.

Một con đường dài của Vũ trụ học

Chuẩn bị SPIDER cho chuyến bay – một quá trình kéo dài nhiều tháng, như mê cung đòi hỏi kỹ năng, hậu cần phức tạp và một số may rủi – theo Jones, nghiên cứu tương đương với một lần vượt qua Hail Mary trong những giây cuối cùng của một trận bóng đá Mỹ.

Để ra mắt SPIDER từ Trạm McMurdo, cơ sở nghiên cứu lớn nhất của Nam Cực, các nhà nghiên cứu phải đàm phán ý tưởng bất chợt của các mô hình thời tiết trong cả hai tầng bình lưu 20 dặm (32 km) trên Trái Đất và gần gũi hơn với mặt đất. Các ngày triển khai có thể bị giới hạn trong các tháng mùa đông, khi xoáy cực – một dạng gió ở tầng bình lưu – đủ mạnh để dẫn đường bay của SPIDER theo đường ngược chiều kim đồng hồ có thể dự đoán được quanh lục địa. Nhưng các nhà khoa học cũng phải đối mặt với thời tiết ngay phía trên Ga McMurdo, vì họ yêu cầu khoảng thời gian 12 giờ gió lặng và bầu trời quang đãng để phóng khinh khí cầu. Jones ước tính có khoảng năm ngày như vậy mỗi năm, với một số năm trôi qua mà không có một cơ hội nào.

“Tiền đặt cọc là cực kỳ cao,” anh ấy nói, “nếu có gì sai, bạn có thể hoàn thành dự án khinh khí cầu của mình cho mọi người trong nhóm của bạn trong một năm.”

 khinh khí cầu
Thời tiết xung quanh Trạm McMurdo, nằm ở rìa phía nam của Nam Cực, có thể rất thay đổi và thay đổi đáng kể. Các nhà nghiên cứu có thể phải chịu đựng những cơn gió 60 dặm / giờ (90 km / h) và nhiệt độ lạnh như gió –100 độ F (–73 độ C)

Hy sinh nhân danh khoa học

Anne Gambrel đã quen thuộc với những thăng trầm của chuyến bay bằng khinh khí cầu. Cô đã làm việc với Jones khi còn là sinh viên tốt nghiệp vào năm 2013, khi chuyến bay bị hủy bỏ do chính phủ đóng cửa, và cũng vào năm 2015, khi SPIDER đạt được thành tích ra mắt duy nhất.

Đối với Jones, Gambrel và các nhà nghiên cứu khác, việc chuẩn bị cho việc triển khai vào mùa đông đến Nam Cực là một quá trình mệt mỏi bắt đầu vào tháng 6, khi nhóm và kính thiên văn đi từ nhà của họ ở Princeton, New Jersey, đến một cơ sở của NASA ở ngoại ô Palestine, Texas.

Được biết đến với cái tên “Texas-wringer”, thời gian lưu trú ba tháng chứa đầy những giờ đồng hồ dài, khi các nhà khoa học thực hành giải nén và lắp ráp SPIDER, đồng thời đảm bảo nó hoạt động với thiết bị đo từ xa do NASA cung cấp. Hoàn thiện công tác hậu cần là rất quan trọng vì ở Nam Cực, nhóm nghiên cứu sẽ chỉ có một khoảng thời gian ngắn để phóng SPIDER trước khi xoáy cực tan.

Sự cô lập của Palestine – một thị trấn nhỏ của Texas với 20.000 người được bao quanh bởi rừng – cũng khiến các nhà nghiên cứu phải chú ý đến những căng thẳng và sự tách biệt cằn cỗi của Nam Cực. Theo một cách nào đó, không có sự tươi mới của việc ở một lục địa mới, thì ở Texas, nỗi cô đơn khi phải xa gia đình và bạn bè còn tồi tệ hơn. Gambrel nói: “Tất cả chúng tôi đều thực sự bị ràng buộc chặt chẽ bởi những nỗi thất vọng chung và những hy sinh mà chúng tôi đã thực hiện. Cô ấy nói, là một nhóm có sự ràng buộc chặt chẽ “đã giúp đỡ khi có lúc tồi tệ, và đôi khi thật tồi tệ”.

Palestine – một thị trấn nhỏ tại Texas

Năm 2013, theo kế hoạch, SPIDER được vận chuyển đến Ga McMurdo vào cuối mùa hè. Trong khi đó, nhóm nghiên cứu quay trở lại Princeton để phục hồi sức khỏe trong vài tuần trước khi dự kiến ​​khởi hành đến Nam Cực vào giữa tháng 10.

Chính trong kỳ nghỉ mùa thu này, Gambrel, khi đó là sinh viên năm thứ ba, đã biết về việc chính phủ sắp đóng cửa. “Tôi nhớ Bill [Jones] đã nói với chúng tôi, ‘Ừ, nó đã bị hủy. Cô ấy nói rằng chúng tôi sẽ không đi trong năm nay. “Đó là ngay sau bữa trưa và chúng tôi vừa rời đi trong ngày.”

Theo Gambrel, các sinh viên tốt nghiệp đã dành buổi chiều hôm đó tại nhà một người bạn để cảm thấy có lỗi với bản thân và gọi cho Quốc hội. “Đó chỉ là một ngày tồi tệ,” cô nói, “Chúng tôi biết rằng sẽ phải mất một năm nữa – tròn một năm – trước khi chúng tôi có thể đi tiếp.”

Ngày ra mắt: ngày 1 tháng 1 năm 2015

Như đã thành thông lệ, không có gì là dễ dàng đối với nhóm SPIDER vào năm 2015.

Được triệu tập vào lúc 3 giờ sáng của ngày đầu năm mới bởi các báo cáo về thời tiết tốt, các nhà nghiên cứu đã bò ra khỏi giường của họ tại trạm McMurdo để hiệu chỉnh SPIDER và đưa nó lên bệ phóng, chỉ để chờ đợi gần cả ngày cho lần cuối cùng. Các nhà khoa học đã vượt qua hàng giờ bằng cách trò chuyện căng thẳng với các đồng nghiệp và đi dạo chụp ảnh. Jones, trong khi đó, đánh lạc hướng bản thân bằng cách đọc toàn bộ cuốn sách, Quốc gia Hoa Kỳ của Colin Woodard , trên bệ phóng.

Khi gió ở độ cao thay đổi, như một vụ phóng cọ xát, tâm trạng trong phòng điều khiển chuyển từ ăn mừng đến lo lắng đến hưng cảm. Gambrel, theo dõi nhiệt độ của tải trọng từ phía sau một loạt máy tính, đã cố gắng hết sức để giữ kiên nhẫn và bình tĩnh.

 khinh khí cầu
SPIDER bay lên trên bầu không khí ngay sau khi ra mắt lần đầu tiên vào năm 2015

Cô nói: “Tôi đã không ngủ vào đêm hôm trước vì mọi thứ chúng tôi làm việc đều diễn ra trên dây chuyền. “Tất cả chúng tôi đều có danh sách kiểm tra của mình – lặp đi lặp lại … vì vậy tôi muốn nhanh chóng đi vào sáng hôm đó.”

Khi thời gian cuối cùng đã đến muộn trong ngày, SPIDER đã ra mắt mà không gặp trở ngại nào.

Đầu tiên, một quả bóng bay cuối cùng sẽ phồng lên bằng kích thước của một sân vận động bóng đá, bay lên bầu trời xanh không một gợn mây. Kéo theo bên dưới, một sợi dây cáp dài nối khinh khí cầu với SPIDER vòng lên trên, kéo căng do toàn bộ vật liệu bị kẹp chặt vào Trái Đất bằng kẹp của cần cẩu. Cuối cùng, với một tiếng leng keng, nhiều năm làm việc, hy vọng và lo lắng đã được giải tỏa, cho phép kính viễn vọng và khinh khí cầu bay lên trên, ngày càng nhỏ dần cho đến khi chúng không thể phân biệt được với phần còn lại của bầu trời.

“Ngày ra mắt”, Gambrel nói, “là một trong những ngày đáng nhớ nhất trong đời tôi.”

SPIDER do thám Big Bang

Trong 16 ngày trôi qua vùng giao thoa của bầu khí quyển, SPIDER đã có một cái nhìn rõ ràng về ánh sáng phát ra từ Vụ nổ lớn.

Ánh sáng cổ đại như vậy, được gọi là bức xạ phông vũ trụ , đã kéo dài theo sự giãn nở của vũ trụ theo thời gian, khiến mắt người không nhìn thấy được. Chỉ qua thấu kính của kính thiên văn vi sóng SPIDER (hoặc những kính viễn vọng khác tương tự), bức xạ mới được đưa vào tầm nhìn, được tô điểm bằng những dấu ấn của lực hấp dẫn từ vũ trụ sơ sinh. Khi được lập bản đồ toán học, những dấu vân tay này – được nhúng dưới dạng biến dạng của bức xạ phông vũ trụ – có thể được hình dung như những vòng xoáy hình chong chóng trên bầu trời.

Một ví dụ về kiểu xoáy riêng biệt, được gọi là phân cực B-mode, những gợn sóng hấp dẫn từ vũ trụ sơ sinh có thể in sâu trên nền vi sóng vũ trụ.

Bây giờ là một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ, Gambrel đang xây dựng những bản đồ như vậy để hiểu cách những gợn sóng hấp dẫn đã nhào nặn vũ trụ sơ khai thành dạng vũ trụ mà chúng ta quan sát ngày nay.

Gambrel nói: “Tôi rất kinh ngạc vì đã có thể làm việc trên một kính viễn vọng có thể cho chúng ta biết vũ trụ bắt đầu như thế nào. “Mỗi ngày tôi đều nhìn vào những bức ảnh về vũ trụ khi nó còn là một thứ gần như không có thật.”

Khinh khí cầu SPIDER sau năm 2020

COVID-19 đã buộc nhóm của Jones, giống như nhiều người trên khắp thế giới, phải cải tổ lại các thói quen hàng ngày và xác định lại mục tiêu của họ

Lần phóng thứ hai sẽ là cơ hội quan trọng cho nhóm SPIDER để đo ánh sáng bằng cách sử dụng dải bước sóng rộng hơn – một cách tiếp cận sẽ giúp giảm thiểu hiệu ứng che khuất của bụi thiên hà vốn đã phân tích dữ liệu phức tạp cho đến nay. Nhưng thay vì chuẩn bị cho một chuyến bay khác, họ đang thúc đẩy bất kỳ phân tích dữ liệu nào họ có thể làm trong khi chế tạo các thiết bị dò vi sóng nhạy hơn. Vì vậy, bất chấp các chuyến bay của SPIDER bị hoãn, một số sinh viên tốt nghiệp đã hoàn thành luận án dựa trên việc chế tạo các thiết bị mới hơn là lấy các phép đo mới từ Nam Cực.

Đối với các nhà nghiên cứu, SPIDER không chỉ là cơ hội để thực hiện khoa học vĩ đại mà còn là cơ hội để phát triển các kỹ năng bổ sung, chẳng hạn như viết mã chuyến bay và phát triển các hệ thống phức tạp cung cấp năng lượng và định hướng cho kính thiên văn. Những tài năng này giúp mở ra nhiều cánh cửa bổ sung mà đơn giản là phân tích bức xạ phông vũ trụ có thể không.

Tôi cố gắng không tập trung vào sự không chắc chắn của dự án, Suren Gourapura, một sinh viên tốt nghiệp năm thứ hai đã gia nhập phòng thí nghiệm vào tháng Giêng, vài tháng trước khi Đại học Princeton đóng cửa, nói. “Miễn là tôi không ngừng học hỏi mọi thứ và trở thành một phần của đội. Đó thực sự là trọng tâm đối với tôi ”.

Sự phát triển liên tục khả năng không ngững nghỉ của các nhà nghiên cứu – có hoặc không có các chuyến bay của SPIDER – là rất quan trọng đối với Jones, người coi SPIDER không chỉ là một thí nghiệm khoa học. Ông nói rằng đây là một chương trình “đào tạo những nhân viên có kỹ năng cao, như Anne [Gambrel], người vừa có thể nhận ra tiềm năng khoa học của chương trình trước mắt, nhưng cũng có thể khám phá ra điều lớn lao tiếp theo.”

Tuy nhiên, có một giới hạn đối với công việc có thể được thực hiện trong khi khinh khí cầu SPIDER vẫn được duy trì và sự chậm trễ chắc chắn đã phải trả giá. Jones nói: “Bực bội thậm chí không tiếp cận được cảm xúc chính xác mà nó gợi lên, khi đề cập đến các vụ phóng đã bị hủy bỏ trong hai năm qua do thời tiết xấu và COVID-19 tương ứng.

Ngày ra mắt sớm nhất tiếp theo, nếu mọi thứ hoàn hảo theo kế hoạch, sẽ là tháng 12 năm 2021. Nhưng hiện tại, tất cả những gì nhóm có thể làm là chờ đợi.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *