Những tàu thăm dò đã lao thẳng vào khí quyển hành tinh khác và gửi về số đo trực tiếp gồm loạt tàu Venera của Liên Xô vào sao Kim (từ 1967), đầu dò Galileo vào sao Mộc (7/12/1995) và đầu dò Huygens xuống Titan, mặt trăng của sao Thổ (14/1/2005). Chúng cho ta những con số mà kính thiên văn không thể đo: áp suất, nhiệt độ, thành phần khí, tốc độ gió theo từng độ cao. Mỗi đầu dò chỉ sống được vài chục phút tới vài giờ, nhưng dữ liệu của chúng vẫn là chuẩn so sánh cho tới hôm nay.
Vì sao phải lao vào chứ không chỉ nhìn từ xa
Kính thiên văn và tàu bay quanh quỹ đạo đọc được khí quyển hành tinh qua ánh sáng, nhưng chủ yếu thấy lớp trên cùng. Mây dày của sao Kim, sao Mộc hay màn sương cam của Titan che khuất mọi thứ bên dưới. Muốn biết áp suất ở bề mặt sao Kim, hay sao Mộc có bao nhiêu heli, cách chắc chắn nhất là thả một thiết bị rơi qua và đo.
Đầu dò khí quyển thường có ba giai đoạn: lao vào với tốc độ rất cao sau tấm chắn nhiệt; bung dù để rơi chậm và đo; cuối cùng chết vì nhiệt, áp suất hoặc hết pin. Mọi thứ phải được thiết kế để dữ liệu kịp gửi về tàu mẹ hoặc thẳng Trái Đất trong khoảng thời gian ngắn ngủi đó.
Venera: lần đầu nếm khí quyển hành tinh khác
Liên Xô kiên trì với sao Kim suốt hơn hai thập kỷ. Các chuyến đầu thất bại, và chính thất bại đó dạy cho các kỹ sư biết khí quyển sao Kim khắc nghiệt hơn mọi dự đoán.
- Venera 4 (10/1967): lần đầu một tàu gửi dữ liệu từ bên trong khí quyển của một hành tinh khác. Đầu dò đo được khí quyển chủ yếu là CO₂, rồi ngừng phát ở độ cao còn khoảng vài chục km trên bề mặt — nó bị áp suất nghiền nát trước khi chạm đất, vì được thiết kế cho mức áp suất thấp hơn nhiều so với thực tế.
- Venera 7 (15/12/1970): lần đầu một tàu hạ cánh và gửi tín hiệu từ bề mặt hành tinh khác. Tín hiệu yếu, kéo dài khoảng 23 phút, đủ để cho biết nhiệt độ bề mặt khoảng 475 °C.
- Venera 9 (10/1975): những bức ảnh đen trắng đầu tiên từ bề mặt sao Kim, cho thấy đá phẳng và ánh sáng đủ để chụp dù mây dày.
- Venera 13 (3/1982): ảnh màu, phân tích đất, sống khoảng 127 phút trên bề mặt — lâu hơn nhiều so với thời gian thiết kế khoảng 32 phút.
Từ các chuyến Venera và tàu Pioneer Venus của Mỹ (1978, thả bốn đầu dò vào bốn vùng khác nhau), người ta có bức tranh mà NASA vẫn dùng: áp suất bề mặt khoảng 92 bar (tương đương độ sâu gần 900 mét dưới biển), nhiệt độ khoảng 464 °C, khí quyển khoảng 96,5% CO₂, các lớp mây axit sunfuric ở độ cao khoảng 45–70 km.
Khí cầu Vega bay trong mây sao Kim (1985)
Hai tàu Vega của Liên Xô, hợp tác với Pháp và nhiều nước, trên đường tới sao chổi Halley đã thả mỗi tàu một khí cầu nhỏ vào sao Kim tháng 6/1985. Khí cầu trôi ở độ cao khoảng 54 km, nơi áp suất và nhiệt độ gần giống Trái Đất, và gửi dữ liệu khoảng 46–47 giờ. Chúng cho thấy gió đông thổi rất mạnh quanh hành tinh và những luồng khí lên xuống bất ngờ trong mây. Đến nay đó vẫn là những khí cầu duy nhất từng bay trong khí quyển hành tinh khác.
Galileo: lao vào sao Mộc ở tốc độ kỷ lục
Tàu Galileo của NASA tới sao Mộc năm 1995, mang theo một đầu dò khí quyển nặng khoảng 340 kg. Đầu dò được tách ra từ nhiều tháng trước và ngày 7/12/1995 lao vào khí quyển sao Mộc với vận tốc khoảng 47 km/s — một trong những lần đi vào khí quyển nhanh nhất mà một vật do con người làm ra từng chịu. Tấm chắn nhiệt bị bào mòn mất một phần lớn khối lượng, lực giảm tốc lên tới hơn 200 lần trọng lực.
Sau khi bung dù, đầu dò rơi khoảng 58 phút, đo tới độ sâu có áp suất khoảng 22–23 bar trước khi mất liên lạc. Kết quả có cả điều đã đoán và điều bất ngờ:
- Tỉ lệ heli gần với Mặt Trời, phù hợp với ý tưởng sao Mộc giữ được thành phần của tinh vân nguyên thuỷ.
- Gió mạnh, khoảng hơn 600 km/h, và không yếu đi khi xuống sâu — gợi ý năng lượng gió đến từ nhiệt bên trong hành tinh chứ không chỉ từ Mặt Trời.
- Ít nước và ít mây hơn dự đoán nhiều. Về sau người ta hiểu đầu dò đã rơi đúng vào một "điểm nóng" — vùng khô, quang mây, nơi không khí đang chìm xuống. Một mẫu duy nhất có thể đánh lừa ta về cả hành tinh.
Bài học từ Galileo được tàu Juno (tới sao Mộc năm 2016) bổ sung bằng cách đo vi sóng từ quỹ đạo, cho thấy phân bố nước và amoniac khác nhau nhiều theo vĩ độ.
Huygens: hạ cánh xa nhất từng có
Đầu dò Huygens của Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) đi nhờ tàu Cassini của NASA tới sao Thổ, tách ra cuối năm 2004 và ngày 14/1/2005 rơi vào khí quyển Titan. Đây đến nay vẫn là lần hạ cánh xa Trái Đất nhất.
Khí quyển Titan dày, áp suất bề mặt khoảng 1,5 bar, chủ yếu là nitơ với vài phần trăm mê-tan, và trọng lực yếu. Nhờ vậy Huygens rơi chậm: khoảng 2 tiếng 27 phút dưới dù. Trong lúc rơi, nó đo nhiệt độ, áp suất, thành phần khí, gió, và chụp hàng trăm ảnh cho thấy những rãnh như lòng sông chảy xuống vùng thấp. Nó đáp xuống một bề mặt như cát ẩm, rải rác những viên "đá" là băng nước tròn cạnh, nhiệt độ khoảng −180 °C, và còn gửi dữ liệu thêm khoảng 72 phút từ mặt đất.
Huygens xác nhận điều nhiều người đã đoán: Titan có chu trình mê-tan giống chu trình nước trên Trái Đất — mây, mưa, sông và hồ, nhưng bằng hydrocarbon lỏng.
Bảng so sánh các lần lao vào khí quyển
| Đầu dò | Thiên thể | Ngày vào khí quyển | Thời gian gửi dữ liệu | Phát hiện nổi bật |
|---|---|---|---|---|
| Venera 4 | Sao Kim | 18/10/1967 | Khoảng 1,5 giờ lúc rơi | Khí quyển chủ yếu là CO₂ |
| Venera 7 | Sao Kim | 15/12/1970 | Khoảng 23 phút trên bề mặt | Lần đầu hạ cánh có tín hiệu |
| Pioneer Venus | Sao Kim | 9/12/1978 | Khoảng 1 giờ mỗi đầu dò | Cấu trúc mây, khí hiếm |
| Vega 1, 2 (khí cầu) | Sao Kim | 6/1985 | Khoảng 46–47 giờ | Gió và luồng khí trong mây |
| Galileo | Sao Mộc | 7/12/1995 | Khoảng 58 phút | Heli, gió sâu, "điểm nóng" khô |
| Huygens | Titan | 14/1/2005 | Khoảng 2 giờ 27 phút rơi + 72 phút trên mặt | Chu trình mê-tan, lòng sông |
Cassini lao vào sao Thổ (2017)
Không chỉ đầu dò, đôi khi chính tàu mẹ cũng hy sinh để đo. Ngày 15/9/2017, kết thúc 13 năm quanh sao Thổ, tàu Cassini được điều khiển lao vào khí quyển hành tinh. Trước đó, trong loạt quỹ đạo "Grand Finale", tàu đã bay qua khe hẹp giữa hành tinh và vành đai, nhiều lần lướt qua lớp khí quyển trên cùng và dùng máy khối phổ nếm trực tiếp thành phần khí. Việc chủ động đốt cháy tàu cũng nhằm tránh để nó có thể rơi xuống và làm nhiễm bẩn các mặt trăng như Enceladus hay Titan.
Góc nhìn hôm nay và những chuyến sắp tới
Sau một khoảng lặng dài, sao Kim và Titan đang được quay lại. NASA đã chọn sứ mệnh DAVINCI thả một đầu dò rơi xuyên khí quyển sao Kim để đo khí hiếm và đồng vị — manh mối về việc sao Kim từng có nước hay không. Dragonfly, một thiết bị bay nhiều cánh quạt chạy năng lượng hạt nhân, được thiết kế để bay từ chỗ này sang chỗ khác trên Titan, tận dụng khí quyển dày và trọng lực yếu. Cả hai đang được chuẩn bị, lịch phóng có thể thay đổi.
Để xem lại, ảnh gốc của Venera đã được các nhà nghiên cứu xử lý lại và đăng công khai; ESA có video mô phỏng chuyến rơi của Huygens ghép từ ảnh thật. Trang Planetary Fact Sheets của NSSDCA (NASA) là nơi tra số liệu chuẩn về khí quyển các hành tinh, nhiều con số trong đó đến trực tiếp từ những đầu dò này.
Câu hỏi thường gặp
Tàu nào hạ cánh xuống sao Kim đầu tiên?
Venera 7 của Liên Xô hạ cánh ngày 15/12/1970 và là tàu đầu tiên gửi tín hiệu từ bề mặt một hành tinh khác, trong khoảng 23 phút. Trước đó Venera 4 năm 1967 đã gửi dữ liệu từ bên trong khí quyển sao Kim nhưng bị áp suất nghiền nát trước khi chạm đất.
Tàu Venera sống được bao lâu trên sao Kim?
Lâu nhất là Venera 13 năm 1982, hoạt động khoảng 127 phút trên bề mặt. Nhiệt độ khoảng 464 °C và áp suất khoảng 92 bar khiến thiết bị điện tử nhanh chóng hỏng. Phần lớn các tàu đổ bộ khác chỉ sống vài chục phút.
Đầu dò Galileo phát hiện gì trong khí quyển sao Mộc?
Đầu dò Galileo năm 1995 đo được tỉ lệ heli, gió mạnh không yếu đi theo độ sâu, và lượng nước thấp bất ngờ. Lượng nước thấp được giải thích là do đầu dò rơi vào một vùng khô hiếm gặp gọi là điểm nóng. Đầu dò hoạt động khoảng 58 phút trước khi mất liên lạc.
Huygens hạ cánh trên Titan năm nào?
Huygens hạ cánh ngày 14/1/2005 sau khoảng 2 tiếng 27 phút rơi dưới dù. Đây là lần hạ cánh xa Trái Đất nhất từ trước tới nay. Đầu dò gửi dữ liệu thêm khoảng 72 phút từ bề mặt.
Đã có khí cầu nào bay trên hành tinh khác chưa?
Có. Năm 1985 hai tàu Vega của Liên Xô thả hai khí cầu nhỏ vào khí quyển sao Kim, trôi ở độ cao khoảng 54 km và gửi dữ liệu khoảng hai ngày. Đó vẫn là những khí cầu duy nhất từng bay ở hành tinh khác.
