Hành trình khám phá Hệ Mặt Trời 

Nguyên nhân, lợi ích của việc chiếm lĩnh Hệ Mặt Trời trong sự tồn vong của nhân loại

Loài người, cho đến khi có sự phát triển như ngày nay, đã có quá trình tồn tại hàng triệu năm trên hành tinh xanh. Tuy nhiên, hiện nay, sự phát triển của con người ngày càng tăng lên đến một mức độ đáng báo động. Loài người đã đạt đến con số 1 tỷ người lần đầu tiên vào những năm đầu thế kỷ XIX, mãi đến năm 1927, con số đấy mới tăng lên gấp đôi, nhưng chỉ hơn 40 năm sau, dân số đã đạt đến 3 tỷ người vào năm 1960. Đà tăng phi mã ấy không dừng lại với 4 tỷ người vào năm 1974, 5 tỷ người năm 1987, 6 tỷ người năm 1999, 7 tỷ người năm 2011. Đến nay, dân số thế giới đã lên đến 7,876 tỷ người và dự đoán sẽ đạt mức 9,7 tỷ người vào năm 2050. Những con số khổng lồ này đặt ra những thách thức rất lớn về khai thác và sử dụng nguồn tài nguyên trên Trái Đất.

Thật vậy, cuộc sống ngày càng hiện đại khiến chúng ta có cảm giác như mọi thứ là sẵn có, mọi nguồn tài nguyên là vô tận. Các quầy siêu thị luôn đầy ắp hàng hóa, những đoàn xe nối đuôi nhau trên đường như những dòng chảy không có điểm dừng; các thành phố mới, những tòa nhà cao tầng hiện đại ngày càng mọc lên ở khắp nơi. Ít ai hay biết rằng, để phục vụ cho nhu cầu sống ngày càng khổng lồ của con người, nhiều nguồn tài nguyên đang trên bờ vực cạn kiệt. Nhiều nguồn tài nguyên được khai thác triệt để hiện nay trên Trái Đất, thực tế là những tài nguyên không thể thay thế. 2,5% tổng lượng nước trên thế giới là nước ngọt, và chỉ có 30% trong số đó loài người có thể tiếp cận và sử dụng được. Dễ hiểu vì sao nước ngọt là một nguồn tài nguyên ngày càng trở nên khan hiếm trước sự bành trướng của con người. FAO dự đoán, đến năm 2025, 1,8 tỷ người sẽ sống trong những vùng khan hiếm nước sạch. Nhiều nguồn tài nguyên khác là chủ lực, là xương sống của nền công nghiệp cũng như đời sống bình thường của con người sẽ có nguy cơ cạn kiệt trong vòng 50 năm tới. Dầu mỏ, khí thiên nhiên, hay thậm chí là đất trồng sẽ chỉ còn là dĩ vãng trong 50 năm nữa, nếu tốc độ khai thác vẫn được giữ nguyên như hiện nay. Điều đó không chỉ đặt ra bài toán cấp bách về việc sử dụng, khai thác các nguồn nguyên nhiên liệu, mà còn là vấn đề về an ninh lương thực, chỗ ở. Chính những khó khăn trên đã đặt ra rất nhiều kỳ vọng về việc tìm kiếm ngôi nhà thứ hai cho nhân loại ở ngoài vũ trụ xa xôi, mà mục tiêu gần nhất chính là các thiên thể xung quanh ta, những thiên thể nằm trong ngôi nhà thân yêu - Hệ Mặt Trời. Gần đây, vũ trụ đối với chúng ta không còn chỉ là một nơi bí ẩn chờ ta khám phá: ta không chi ra hàng tỷ USD “ném” vào vũ trụ chỉ để… phát triển du lịch mà ngược lại, quá trình khai phá thiên hà giờ đây còn đang được tiến hành dưới góc độ của người đi tìm kiếm những nguồn tài nguyên mới, ta xem xét vũ trụ như một tài nguyên để khai thác chứ không chỉ giương lên đôi mắt tò mò về một thứ còn xa lạ nữa. Việc nghiên cứu các thiên thể xung quanh giờ đây hướng nhiều hơn đến các câu hỏi: liệu ở đó có nước không? liệu điều kiện thời tiết khí quyển có phù hợp cho sinh vật sống phát triển? phân tích dữ liệu đất đá gợi ý như thế nào về khoáng sản trên thiên thể? Tất cả những điều đó đều phục vụ cho mục đích khai thác tối đa tiềm năng, tiềm lực, chiếm lĩnh Hệ Mặt Trời, đảm bảo sự tồn vong cho nhân loại, giúp nhân loại giải quyết các bài toán về nguyên liệu, năng lượng, đất đai,… Đấy đều là các vấn đề lớn, sống còn của nhân loại.

Có thể khai thác gì từ Hệ Mặt Trời

Về phần mình, Hệ Mặt Trời có vô vàn các khía cạnh khác nhau để cho ta khai thác. Theo thang đo Kardashev, các nền văn minh được phân loại theo khả năng khai thác các nguồn năng lượng. Theo đó Type I là các nền văn minh khai thác được gần như mọi nguồn năng lượng hiện diện trên hành tinh, Type II khai thác được hầu hết năng lượng từ ngôi sao chủ, các nền văn minh thuộc Type III sẽ khống chế được thiên hà. Loài người chúng ta hiện nay đang ở mức 0,7. Như vậy, chúng ta đang trên đà khai thác gần hết các nguồn tài nguyên trên Trái Đất, việc vượt ra phạm vi Thái Dương Hệ sẽ là điều tất yếu, vậy trên Thái Dương Hệ của chúng ta có những gì ta có thể khai thác được?

Thứ đầu tiên có thể kể đến về các thiên thể trong Hệ Mặt Trời để khai thác chính là điều kiện vật thể. Hệ Mặt Trời với ngôi sao chủ, tám hành tinh, hàng trăm vệ tinh tự nhiên, vành đai tiểu hành tinh cùng nhiều tiểu hành tinh lớn nhỏ, hàng triệu sao chổi, thiên thạch. Trên các thiên thể này có điều kiện về cách thành phần nguyên tố khoáng khác nhau, nếu khai thác được sẽ đem lại nguồn tài nguyên lớn cho nhân loại. Về thành phần các thiên thể, chúng chủ yếu được tạo nên từ các thành phần phổ biến, như carbon, oxy, silic. Tuy nhiên, với số lượng lên đến hàng triệu, không ít trong số đó giàu các nguyên tố hiếm như vàng, bạch kim,… đây sẽ là nguồn tài nguyên quan trọng bổ sung cho nhu cầu thiết yếu cho loài người.

Minh hoạ các bậc của thang đo Kardashev về mức độ phát triển của nền văn minh nhân loại

Với sự hiện diện của mình, các thiên thể khổng lồ như các hành tinh trong Hệ Mặt Trời đóng một vai trò hết sức quan trọng, là một nguồn gây ra lực hấp dẫn rất mạnh, nếu có thể tận dụng được sẽ tạo ra nhiều lợi thế trong du hành vũ trụ. Chính vì lẽ đó, trong cơ học quỹ đạo và kỹ thuật vũ trụ đã đề ra một kỹ thuật, gọi là Hỗ trợ hấp dẫn (Gravity assist). Theo đó, khi các tàu du hành vũ trụ bay gần đến các hành tinh cũng như đối tượng thiên văn khác, hoàn toàn có thể lợi dụng trọng lực của các hành tinh này để đổi phương hướng và tăng vận tốc, giúp giảm chi phí và tiết kiệm nhiên liệu, nhờ vậy có thể đi xa hơn, giảm bớt gánh nặng thiết kế kỹ thuật cho các nhiệm vụ khó khăn này.

Nói đến Hệ Mặt Trời, nguồn tài nguyên quan trọng nhất chính là năng lượng bức xạ phát ra từ ngôi sao chủ. Có thể tận dụng tốt nguồn tài nguyên này chính là một bước quan trọng để chúng ta nhanh chóng đạt đến mức độ II trong thang đo phát triển văn minh. Để đạt được điều đó, nhiều nhà hoạch định đã đề ra những siêu cấu trúc vũ trụ phục vụ cho những mục đích này. Một trong số đó phải kể đến Quả cầu Dyson. Được mô tả lần đầu tiên bởi Olaf Stapledon trong tiểu thuyết khoa học viễn tưởng Star Maker (1937), Quả cầu Dyson là siêu cấu trúc vũ trụ hình cầu bao xung quanh một ngôi sao, hấp thu phần lớn năng lượng phát ra từ ngôi sao chủ. Đây sẽ là bước tiến lớn trong tiến trình phát triển mà một nền văn minh nhắm đến. Tất nhiên, để đạt đến thành tựu này đòi hỏi sự phát triển rất xa nữa về trình độ khoa học kỹ thuật cũng như một lượng vật liệu khổng lồ

Tình hình chung khám phá Hệ Mặt Trời

Kể từ thời loài người còn xem những hành tinh là những vị thần hay Trái Đất là trung tâm của vũ trụ, chúng ta đã đưa nhiều thứ trở lại đúng sự thật vốn có của nó, bao gồm Hệ Mặt Trời. Ta biết rằng Trái Đất không phải trung tâm mà danh hiệu đó phải thuộc về Mặt Trời, và thậm chí Mặt Trời không phải là trung tâm vũ trụ mà chỉ là một ngôi sao nhỏ nằm trong một nhánh cánh tay của Dải Ngân Hà rộng lớn. Tham gia quay quanh Mặt Trời không chỉ có Trái Đất mà còn có bảy hành tinh khác, hành tinh lùn Diêm Vương, hơn 200 vệ tinh tự nhiên, vành đai tiểu hành tinh, hàng triệu sao chổi và còn nhiều hơn thế nữa. Nhưng có vẻ loài người còn cách một khoảng rất xa với đích đến là thấu hiểu toàn bộ Hệ Mặt Trời và khai thác, định cư từ đó (nói cách khác là tiến tới nền văn minh loại II).

Khoảng cách xa nhất mà loại người đặt chân trong Hệ Mặt Trời chính là … Mặt Trăng. Tuy nhiên toàn bộ những kiến thức về hình thể, cấu trúc,… của các vật thể khác trong Hệ đều được thu thập thông quan các chuyến thăm dò của những con tàu vũ trụ không người lái. Phổ biến nhất phải nói tới Voyager 1 và Voyager 2 – những con tàu đi xa được nhất hiện nay còn liên lạc được. Chúng đã đi qua từng hành tinh và vệ tinh tự nhiên, chụp hàng nghìn bức ảnh và hàng triệu dữ liệu thu được từ thiết bị đo đạc, cảm biến giúp các nhà nghiên cứu hiểu hơn về từng vật thể trong Hệ Mặt Trời. Tuy nhiên, vì chỉ có thể bay gần lướt qua nên không thể nghiên cứu sâu hơn về khí quyển, địa chất,… Do đó những dự án nghiên cứu cụ thể từng mục tiêu, từng hành tinh được phát triển. Trước đó là hiểu rõ về hành tinh và tiếp đó là tìm cách khai thác, định cư.

Những nhiệm vụ, sứ mệnh trong công cuộc tìm hiểu và khám phá vũ trụ bao gồm quan sát thông qua các dụng cụ kính thiên văn, thám hiểm qua tương tác vật lý/trực tiếp bởi các chuyến du hành có người lái hay robot tự động và các lý thuyết được rút ra từ phỏng đoán, tính toán, kiểm chứng. Có thể tóm gọn kế hoạch thám hiểm vũ trụ của loài người như sau: thu thập thông tin về hệ Mặt Trời; thiết lập sự hiện diện lâu dài của loài người trên các vật thể gần Trái Đất như Mặt Trăng và Sao Hoả; từ đó làm bàn đạp để khám phá các vật thể khác trong Hệ, tiếp cận chúng, khai thác tài nguyên hay lợi ích từ chúng, tạo nên mạng lưới văn minh cấp độ Hệ Mặt Trời; từ đó tiếp tục tiến tới các nơi xa hơn cho đến khi chiếm lĩnh toàn dải Ngân Hà.

Trong khoảng thập kỷ tiếp theo, những sứ mệnh của các tổ chức hàng không vũ trụ sẽ diễn ra ráo riết, công nghệ được đẩy tới xa hơn, thiết lập những mục tiêu chắc chắn và đặc biệt có sự đóng góp và liên kết giữa các quốc gia với nhau và từ khu vực tư nhân. Có thể kể tới một vài sứ mệnh không gian quan trọng và nổi bật như sau:

Lucy – Khai quật khảo cổ Hệ Mặt Trời

(The Lucy team, 2020) Nếu như hoá thạch người vượn cổ Lucy – tổ tiên gần nhất của loài người - được phát hiện vào năm 1974 tại Ethiopia gây chấn động nghành khảo cổ với ý nghĩa to lớn trong việc tìm ra nguồn gốc tiến hoá loài người thì sứ mệnh Lucy sẽ có thể thay đổi hiểu biết của loài người về quá trình phát triển của cả Hệ Mặt Trời. Tàu vũ trụ không người lái Lucy sẽ được phóng đi với sứ mệnh to lớn là thám hiểm vùng Thiên thể Trojan của Sao Mộc.

Vùng thiên thể Trojan Sao Mộc này bao gồm hàng vạn vật thể nhỏ còn sót lại từ thời kỳ hình thành các hành tinh phía ngoài thuộc Hệ Mặt Trời. Nhìn theo hướng từ trên xuống, Trojan quay quanh Mặt Trời theo quỹ đạo gồm có hai phần rời rạc: Nhóm Hy Lạp (Greeks) tập trung tại điểm cân bằng Lagrange L₄ tạo góc 60° (giữa Mặt Trời và Sao Mộc) và Nhóm Trojan tập trung tại điểm cân bằng Lagrange L₅ cũng tạo góc 60°. Những điểm Lagrange này tồn tại sự cân bằng giữa trọng lực của Mặt Trời và Sao Mộc do đó các nhóm thiên thạch Trojan tại đây luôn ổn định trên quỹ đạo di chuyển quanh Mặt Trời chung đường đi của Sao Mộc nhưng không bao giờ va chạm với hành tinh này.

Dù có nhiều thứ thú vị để khám phá tại đây nhưng hiện tại loài người mới chỉ có những chi tiết nhỏ, vụn vặt về đặc điểm các thiên thể Trojan. Thậm chí với kính thiên văn không gian Hubble hay các loại kính dùng công nghệ quang thích ứng cũng không thể cảm nhận rõ bề mặt của chúng được.

Sứ mệnh Lucy sẽ là sứ mệnh không gian đầu tiên khám phá vùng Trojan trên và sứ mệnh có đường đi quỹ đạo phức tạp nhất và độc lập với quỹ đạo Mặt Trời. Với thời gian phóng đi dự kiến vào tháng 10/2021, tận dụng sức đẩy của trọng lực Trái Đất, Lucy hoàn thành sứ mệnh trong chặng đường dài 12 năm, khám phá tổng cộng 7 tiểu hành tinh khác nhau. Tất cả Trojans được cho là đậm đặc Than đen (Dark Carbon), đặc biệt ẩn dưới lớp bụi dày đặc khô khan có thể là rất nhiều nước và các chất dễ bay hơi khác. Những vật thể này có thể giữ những bằng chứng quan trọng giải mã lịch sử của Hệ Mặt Trời chúng ta và thậm chí là nguồn gốc của vật chất hữu cơ trên Trái Đất.

Bản đồ đường đi của tàu thăm dò Lucy. Sau khi được phóng vào tháng 10/2021, Lucy sẽ tiếp cận Trojans vùng L4 để thăm dò 4 tiểu hành tinh tại đây gồm: Eurybates, Polymele, Leucus và Orus (2027-2028). Sau đó Lucy quay trở lại bay gần Trái Đất rồi tiếp cận Trojans vùng L5 để thăm dò hệ tiểu hành tinh đôi Patroclus-Menoetius vào 2033. Đặc biệt, trên đường tới L4, Lucy sẽ đi qua Vành đai tiểu hành tinh và tiếp cận một tiểu hành tinh tại đây có tên Donaldjohanson. Sau khi hoàn thành nhiệm vụ, Lucy lặp lại chu kì quỹ đạo giữa hai vùng Trojans này cứ mỗi 6 năm một lần (The Lucy team, 2020).

Sứ mệnh khám phá Jupiter Icy Moons (JUICE)

(European Space Agency, 2019) Thực hiện bởi Cơ quan vũ trụ Châu Âu (ESA), sứ mệnh tập trung nghiên cứu về Sao Mộc và các vệ tinh tự nhiên Galileo của nó. Ba vệ tinh Ganymede, Europha và Callisto vốn có một lớp nước đại dương ẩn sâu dưới bề mặt băng đá của vệ tinh. Đây được cho là nguồn tiềm năng cho sự xuất hiện của môi trường sống được. Những đặc tính vật lý, cấu trúc về lớp băng bề mặt và đại dương, hoạt động địa chất sẽ được nghiên cứu trên Ganymede và Callisto, còn việc nghiên cứu sinh học vũ trụ sẽ được thực hiện trên Europa. Một điểm quan trọng khác trong sứ mệnh này chính là nghiên cứu về Sao Mộc và ảnh hưởng của tới sự cân bằng của Hệ Sao Mộc (bao gồm hành tinh và các mặt trăng Galileo của nó). Nghiên cứu tập trung vào cấu trúc, động lực học và thành phần bầu khí quyển Sao Mộc cho tới sự tương tác của từ quyển trong hệ.

Sứ mệnh được mong đợi sẽ cho chúng ta cái biết sự hình thành, nguồn gốc của Sao Mộc và vệ tinh của nó cùng khả năng cung cấp môi trường phù hợp cho dạng sống tiềm năng. Đồng thời sẽ là tiền đề cho việc thám hiểm các ngoại hành tinh giống Sao Hoả sắp tới.

- Lê Gia Thuỵ -

- Nguyễn Thế Hoàng -