Nhật thực dài nhất lịch sử: 74 phút trong bóng tối của Mặt Trăng
Tháng bảy 13, 2024
Ở độ cao 17000 mét (56000 feet) phía trên Châu Phi, có một chiếc Concorde đặc biệt đang bay trong một sứ mệnh đặc biệt. Mặt trời, lúc này đang ở ngay phía trên chiếc Concorde, vừa tối hoàn toàn. Đây sẽ trở thành hiện tượng nhật thực độc đáo nhất từng được chứng kiến.
Đây không phải là ảnh thật!
Nhật thực toàn phần thường rất hiếm và thường chỉ kéo dài trong vài phút. Nhưng vào năm 1973, các nhà khoa học đã có thể “gian lận” và trải nghiệm 74 phút trong bóng tối của Mặt trăng bằng cách bay trên phương tiện duy nhất có khả năng đuổi theo nhật thực. Đây là một sứ mệnh đáng kinh ngạc, đòi hỏi độ chính xác và thời gian hoàn hảo để đi vào bóng của Mặt trăng trong khi nó đang di chuyển với tốc độ hơn 2.000 km/h trên bề mặt Trái đất.
Quỹ đạo quan sát nhật thực của Concorde.
Chuẩn bị
Vào năm 1972, nhà vật lý thiên văn người Pháp Pierre Léna bắt đầu chuẩn bị cho nhật thực sắp tới. Đây sẽ là một trong những nhật thực dài nhất trong lịch sử, với thời lượng hơn 7 phút. Một màn nhật thực kéo dài như vậy khác sẽ không xảy ra trong vòng 200 năm nữa, vì vậy Lena rất háo hức tận dụng tối đa cơ hội này.
Pierre Lena, năm 2020
Ông đặc biệt quan tâm đến việc quan sát vành nhật hoa của Mặt trời, khu vực khí nóng nơi nhiệt độ tăng từ 5.000 độ (9000 độ F) đến hơn 1 triệu độ C (1,8 triệu độ F). Vành nhật hoa thường không thể nhìn thấy được từ Trái đất, nhưng khi nhật thực, mặt trời tối đi và vành nhật hoa sáng lên.
Vành nhật hoa, được quan sát lúc nhật thực – Ảnh: Wikipedia
Nhưng ngay cả khi nhật thực xảy ra, việc nghiên cứu vành nhật hoa cũng khó khăn vì các đám mây và bầu khí quyển của Trái đất cản trở . Vì vậy, đối với nhật thực năm 1973, Pierre muốn đẩy mọi thứ lên một tầm cao mới.
Dùng Concorde để truy đuổi nhật thực
Đường đi của nhật thực toàn phần mà chiếc Concorde sẽ đuổi theo – Nguồn: NASA
Và vì vậy Pierre đã hỏi phi công thử nghiệm Concorde huyền thoại người Pháp André Turcat trong bữa trưa tại một nhà hàng ở Sân bay Toulouse xem liệu Andre có thể sử dụng một chiếc Concorde được lấp đầy bởi các trang thiết bị khoa học để đuổi theo nhật thực không, theo ký ức của Pierre Lena trong cuốn “Racing the Moon’s Shadow with Concorde 001”:
Trên chiếc khăn giấy phủ trên bàn nơi chúng tôi dùng bữa trưa nhìn ra bãi đáp, tôi nhanh chóng phác thảo ước mơ của mình, phác họa bản đồ Tây Phi và giải thích rằng bóng của Mặt trăng sẽ di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ tối đa mà Concorde có thể đạt tới. Tôi cũng trình bày chi tiết kinh nghiệm khiêm tốn của mình về hàng không và kết luận bằng cách mô tả một kỳ công phi thường nằm trong tầm tay của chúng ta: Một Mặt Trời bị che khuất sẽ có thể được quan sát bởi chúng ta trong đến 80 phút, gấp hơn mười lần thời gian dài nhất có thể có được từ một quan sát cố định trên bề mặt Trái Đất.
Theo ký ức của Andre Turcat về cuộc thảo luận:
Với mái tóc đen tương đối gọn gàng, đôi mắt đen và sáng sau cặp kính, nhà thiên văn học này vừa ngồi xuống bàn trước mặt tôi và bắt đầu trình bày chi tiết về dự án của mình. ‘Tất cả những gì cần thiết” là một chiếc máy bay siêu thanh, phải thừa nhận là hơi đắt tiền, với một vài lỗ được khoét ra trên nóc cabin gắn một vài cửa sổ được làm từ vật liệu đặc biệt (cụ thể là thạch anh), nguồn điện cho thiết bị quan sát thiên văn của anh ấy, và các chuyến bay được lập kế hoạch một cách hoàn hảo trên Mauritania và Chad. Nói về những cơn bão trên vùng hội tụ liên nhiệt đới, nhà thiên văn học trẻ tuổi này có rất ít thời gian dành cho chúng. Kết luận cuối cùng của anh ấy rất ngắn gọn: “Thế nào?” “Đương nhiên rồi!” Tôi đã bị chinh phục và sự nhiệt tình của tôi cũng giống như sự nhiệt tình của vị giáo sư trẻ này về mọi mặt.
Andre Turcat, phi công đầu tiên đưa Concorde vượt bức tường âm thanh
Aérospatiale, phía vận hành Concorde của Pháp đã rất hào hứng với ý tưởng này và đã để Lena sử dụng nguyên mẫu 001 cho chuyến bay, do Turcat lái. Mặc dù đã có những chiếc máy bay nhanh hơn vào thời điểm đó, nhưng không chiếc nào trong số chúng có thể sánh được với Concorde về sức bền hay không gian bên trong.
Chiếc Concorde nguyên mẫu 001
Pierre và Turcat lên kế hoạch bay để tối đa hóa thời gian của họ trong bóng tối của Mặt trăng. Trước khi xem chuyến bay này đã diễn ra như thế nào, chúng ta cần hiểu các nguyên tắc cơ bản của nhật thực trước đã.
Các nguyên tắc cơ bản của nhật thực
Penumbra: vùng nửa tối, Umbra: vùng tối hoàn toàn- Ảnh: Wikipedia
Bóng của Mặt Trăng trên Trái Đất, từ không gian trong nhật thực 9/3/2016. Hình ảnh động ở trên được ghép từ 13 hình ảnh thu được vào ngày 9 tháng 3 năm 2016 bởi Camera chụp ảnh đa sắc Trái đất (EPIC) của NASA, một thiết bị ghép điện tích (CCD) 4 megapixel và kính thiên văn Cassegrain trên vệ tinh DSCOVR.
Nhật thực xảy ra khi mặt trăng đi qua giữa Trái Đất và Mặt trời, chặn ánh sáng của Mặt trời và tạo ra một cái bóng lớn trên Trái đất. Hầu hết các phần của bóng tối sẽ chỉ xảy ra nhật thực một phần nhưng ở chính giữa bóng tối là một khu vực nhỏ hơn nhiều, nơi mặt trời bị che khuất hoàn toàn. Đây là nơi xảy ra nhật thực toàn phần. Đường kính của khu vực đó thường từ vài cho đến đến 200 km.
Nhật thực toàn phần gần Guadeloupe
Khi Mặt trăng di chuyển, bóng của nó cũng di chuyển trên bề mặt Trái đất, nghĩa là bất kỳ điểm nào trên đường đi sẽ chỉ trải qua bóng tối hoàn toàn trong vài phút. Đối với nhật thực năm 1973, bóng của Mặt Trăng bắt đầu di chuyển từ rìa trên, bên phải của Nam Mỹ và đến Châu Phi, nơi nó sẽ đạt tốc độ tối đa, rồi kết thúc trên Ấn Độ Dương. Nó sẽ di chuyển trên mặt đất với tốc độ khoảng 2.200 km/h – nhanh hơn một chút so với tốc độ tối đa của Concorde là 2.179 km/h. Vì vậy, Pierre và nhóm của ông phải tìm cách ở trong bóng của Mặt trăng càng lâu càng tốt trước khi nó vượt qua họ.
Đường đi của bóng của mặt trăng, năm 1973 – Nguồn: https://www.timeanddate.com/eclipse/globe/1973-june-30
Kế hoạch của Pierre
Để ở trong bóng tối của Mặt trăng càng lâu càng tốt, chiếc Concorde phải tuân theo một kế hoạch bay rất chính xác. Cơ hội tốt nhất để đạt được điều này là cất cánh ở Châu Phi, nhưng việc này không mang lại cho nhóm nhiều lựa chọn về sân bay. Hầu hết các đường băng ở Châu Phi đều quá ngắn đối với Concorde và điều kiện nắng nóng đồng nghĩa với việc Concorde sẽ phải mang ít nhiên liệu hơn khi cất cánh. Cuối cùng họ quyết định sẽ bay từ trên đảo Gran Canaria, Las Palmas, Tây Ban Nha, nơi có khí hậu mát mẻ hơn và đường băng tuyệt vời. Chúng ta hãy cùng lại xem hồi ức của Andre Turcat:
Tôi giao ngay việc chuẩn bị này cho Henri Perrier, kỹ sư hoa tiêu trưởng, người đã trung thành kể từ chuyến bay đầu tiên. Đối với tôi, trên hết vẫn là câu hỏi sơ bộ: quyết định xem có nên hạ cánh xuống Fort Lamy vào khoảng 2 giờ chiều vào ngày 30 tháng 6 hay không, một thời điểm mà tôi cho là tồi tệ vì các lý do khí tượng. Lượng nhiên liệu dự trữ khi đến nơi sẽ là bao nhiêu nếu tôi phải đợi cơn bão đi qua? Và trong khuôn khổ tất cả công việc của chúng tôi nhằm vào các chuyến bay thử nghiệm, chúng tôi sẽ có thể chuẩn bị và đưa nhật thực của mình vào, mỗi người trong chúng tôi đều quan tâm đến nhu cầu phải xem xét kỹ lưỡng và mong muốn đưa ra quyết định cuối cùng và không bỏ lỡ cơ hội phi thường này. Nhưng sẽ chẳng ích gì nếu nhiệt tình với một điều gì đó hóa ra là không thể, phải không? Và để bắt đầu, điểm khởi đầu của chúng ta nên là gì? Dakar? Perrier đã nhanh chóng loại trừ khả năng đó. Đường băng không có chướng ngại vật nhưng khá ngắn, và trên hết, nó sẽ nóng vào ngày và giờ cất cánh, và điều này làm lượng nhiên liệu mang theo được bị giảm đi. Hơn nữa, điều kiện thời tiết sẽ kém trong sương mù hoặc bụi. Tôi gợi ý Sal, một hòn đảo ở Cape Verde, nơi chúng tôi đã dừng chân trên đường đến Nam Mỹ. Nó có một đường băng tốt với điều kiện thời tiết rất ổn định, luôn nằm ở phía bắc của Đới hội tụ liên chí tuyến (ITCZ), nhưng sẽ khó có thể chứa được số lượng lớn người vì trên đảo không có nước, mặc dù có giường và chỗ ở đơn giản nhưng không có khách sạn, và không có liên kết hàng không thường xuyên. Perrier nghĩ đến Las Palmas ở Canaries. Sal không có nhược điểm nào cả. Thời tiết kém ổn định hơn nhưng không bao giờ xấu, nhiệt độ cao hơn một chút nhưng không bao giờ trên 26 độ C. Tuy nhiên, Las Palmas ở xa điểm hẹn hơn một chút và sẽ phải cất cánh sai hướng, đi vào vùng gió mậu dịch. Perrier đã chỉ ra cho tôi thấy rằng đó là một lợi thế, tránh được việc quay chữ U tốn kém trong quá trình tăng độ cao. Chúng tôi đã thảo luận tất cả điều này. Việc tính toán chi tiết chính xác hơn sẽ quyết định nên chúng tôi đã gửi tất cả dữ kiện đến đơn vị tính toán. Kết quả được trả lại vào ngày hôm sau: Las Palmas cho phép mang theo thêm 2 hoặc 3 tấn nhiên liệu. Perrier đã đúng, như mọi khi. Và với điều kiện là không có sửa đổi nào đối với các chi tiết của đường bay của các nhà thiên văn học, tôi sẽ có 10 tấn kerosene khi đến Fort Lamy, chờ 40 phút và có quyền tiếp cận hụt. Điều đó là hợp lý, nhưng một cơn bão có thể kéo dài một giờ và hãy tưởng tượng cách tiếp cận trong điều kiện thời tiết rất xấu nếu hết nhiên liệu. Tham khảo một cuốn sách nhỏ về thời tiết ở địa phương, tôi rất vui khi biết rằng, vào khoảng thời gian đầu mùa mưa này, bão hiếm khi xuất hiện trước 4, 5 giờ chiều (giờ địa phương). Hơn nữa, một cuộc gọi điện thoại cho các đồng nghiệp tại UTA, một người quen thuộc với khu vực này, đã xác nhận thông tin này và cho tôi biết thêm một điều vô giá: khả năng Fort Lamy và Kano (một thành phố ở Nigeria) bị phong tỏa cùng một lúc là điều rất khó xảy ra. Kano có một đường băng tốt, nơi tôi đã từng hạ cánh một chiếc máy bay quân sự C-47 Dakota. Điều đó sẽ cho phép tôi có khả năng đưa ra quyết định điều hướng cho đến thời điểm hạ cánh.
Chiếc Concorde 001 tại Sân Bay ở Gran Canaria – Nguồn: https://jcgl.orpheusweb.co.uk/history/laspalmas/Concorde.html
Vị trí đảo Gran Canaria – Nguồn: Tự chụp + Google Maps
Kế hoạch là cất cánh, bay về phía Nam và chặn bóng của Mặt trăng tại một điểm cụ thể trên Mauritania, nơi nó sẽ quay và đi theo bóng trên sa mạc Sahara. Nhưng đường đi của cái bóng không thẳng mà thay vào đó là một đường cong lớn. Điều này sẽ khiến việc quan sát khoa học từ bên trong Concorde trở nên rất khó khăn nếu nó phải liên tục đổi hướng. Vì vậy, Pierre và nhóm của ông đã vẽ ra một đường thẳng sẽ chạm vào rìa phía Bắc của cái bóng, cắt ngang sang rìa phía Nam và kết thúc ở rìa phía Bắc của nó. Điều này sẽ giúp họ có tới 80 phút trong bóng tối mà không cần phải rẽ một lần nào. Vì cái bóng sẽ di chuyển nhanh hơn Concorde một chút nên cuối cùng nó sẽ vượt qua nó. Vì vậy, đội phải gặp cái bóng ở một điểm chính xác trên mép trước của cái bóng. Nếu họ đến muộn hơn 15 giây hoặc cách chỉ một km, họ sẽ ra khỏi bóng tối sớm hơn nhiều. Nhưng việc đến được điểm giao cắt một cách chính xác trong điều kiện thời tiết luôn thay đổi sẽ là một thách thức lớn. May mắn thay Andre Turcat là một trong những phi công giỏi nhất và ông hiểu Concorde hơn bất kỳ ai. Với một kế hoạch bay vững chắc, Pierre đã tuyển bốn nhóm nhà khoa học khác, mỗi nhóm sẽ thực hiện các thí nghiệm trên máy bay Concorde.
Kế hoạch bay vào ngày 30 tháng 6, được thiết kế để đuổi theo bóng của Mặt trăng trên khắp châu Phi lục địa. Đĩa mặt trời bị tối hoàn toàn xảy ra giữa các điểm tiếp xúc thứ hai và thứ ba, những điểm đó khoảnh khắc khi cánh tay mặt trăng và cánh tay mặt trời chạm vào nhau. Địa chỉ liên hệ thứ nhất và thứ tư đề cập đến sự bắt đầu và kết thúc của hiện tượng nhật thực. Ảnh: Cuốn “Racing the Moon’s Shadow with Concorde 001” của Pierre Lena
Sửa đổi chiếc Concorde
Vì Concorde sẽ bay qua đường xích đạo nên nhật thực sẽ ở ngay phía trên máy bay, nên các lỗ được khoét trên nóc của Concorde và các cửa sổ đặc biệt bằng thạch anh (Vì thạch anh trong suốt nhưng hấp thụ tia cực tím nên sẽ giúp bảo vệ mắt của các nhà nghiên cứu) được lắp đặt để giúp các nhà khoa học có thể nhìn rõ nhật thực. Tất cả các ghế đã được tháo ra khỏi cabin và nguồn điện được sửa đổi để cung cấp năng lượng cho các thiết bị khoa học. Sau nhiều tuần sửa đổi, trạm nghiên cứu khoa học nhanh nhất thế giới đã sẵn sàng làm nên lịch sử.
Hãy chú ý đến cái lỗ màu đen trên trần máy bay. Đó là nơi gắn cửa sổ thạch anh của cabin. – Nguồn: https://jcgl.orpheusweb.co.uk/history/concorde/ChaseTheSun.html
Các nhà nghiên cứu lau các cửa sổ trên nóc máy bay trước khi cất cánh – Nguồn: https://jcgl.orpheusweb.co.uk/history/concorde/ChaseTheSun.html
Vào mùa xuân năm 1973, tại nhà chứa máy bay Aerospatiale ở Toulouse, thêm bốn cửa sổ được bổ sung được làm dọc theo trục của cabin Concorde 001 (mũi tên). Sẽ thông qua những lỗ hổng này bốn đội nhà thiên văn học sẽ quan sát quầng sáng mặt trời vào ngày nhật thực – Ảnh: Cuốn “Racing the Moon’s Shadow with Concorde 001” của Pierre Lena
Vào ngày 30 tháng 6, đúng 10:08 sáng (UTC), chiếc Concorde, được điều khiển bởi André Turcat và Jean Dabo bắt đầu lăn bánh trên đường băng 21 của Sân Bay Gran Canaria. Turcat đã quyết định cất cánh sớm 20 giây, giúp ông có thời gian xử lý nếu có bất kỳ cơn gió ngược nào có thể làm Concorde chậm lại.
Chiếc Concorde 001 cất cánh từ Gran Canaria
Đây hóa ra là một lựa chọn sáng suốt vì thời tiết sáng hôm đó hỗn loạn hơn và cuối cùng họ đã mất 8 giây trong quá trình leo lên độ cao. Với 12 giây thời gian còn lại trước khi đến điểm đánh chặn, Turcat bắt đầu triển khai phanh khí nhỏ để cẩn thận giảm tốc độ. Điều này nhanh chóng đưa họ đến gần hơn với thời gian đến chính xác, nhưng gió tiếp tục thổi một cách khó lường và Concorde đã giảm tốc độ quá nhiều, chậm hơn 4 giây so với thời gian đến dự kiến khi chỉ còn vài phút nữa.
Để bù đắp cho điều này, Turcat đã nhanh chóng đẩy các động cơ vượt quá tốc độ hoạt động tối đa là Mach 2,2 và chiếc Concorde đã đến điểm chặn chỉ muộn 1 giây và chỉ lệch một km. Cùng lúc đó, mặt trời hoàn toàn biến mất sau Mặt trăng và Concorde lúc này hoàn toàn chìm trong bóng tối. Mặc dù đang là giữa trưa nhưng các ngôi sao vẫn hiện rõ và các nhà khoa học có thể nhìn thấy vành nhật hoa của Mặt trời qua cửa sổ.
Bầu không khí trên Concorde 001 trong chuyến bay nhật thực, ngay trước khi vào bóng tối của Mặt Trăng. Ở phía trước, Henri Perrier, kỹ sư bay thử nghiệm, đang kiểm tra bản đồ Châu Phi. Phía sau anh ta là Michel Rétif, người thợ cơ khí, giám sát và kiểm tra tất cả các hệ thống bay. Xa hơn về phía sau, trong buồng lái là các phi công Andre Turcat (trái) và Jean Dabo (phải). Nguồn: Cuốn “Racing the Moon’s Shadow with Concorde 001” của Pierre Lena
Chuyến bay
Trong thời gian nhật thực toàn phần vào ngày 30 tháng 6 năm 1973, một cảnh tượng đặc biệt đã được quan sát qua cửa sổ bên của Concorde 001 ở độ cao 17.000 m. Ở tiền cảnh, cánh tam giác của máy bay cho thấy sự phản chiếu mờ nhạt của đường chân trời. Ở hậu cảnh, đường chân trời rực sáng cho thấy độ cong của Trái đất. Về phía Nam, trên vùng đất châu Phi bị hạn hán úa vàng, có ranh giới rõ ràng giữa vùng bóng tối và vùng bóng tối một phần. Xa xa, bầu khí quyển phía dưới có màu trắng đục, tán xạ ánh sáng Mặt trời. Lên cao hơn, trên độ cao 12 km, tầng bình lưu tỏa ra ánh sáng xanh tuyệt đẹp. Ảnh: Pierre Lena
Chiếc Concorde hiện đang chạy đua với thời gian và cả Mặt trăng. Và thế là các nhà khoa học bắt tay vào việc. Pierre và nhóm của ông đã phát triển một chiếc kính thiên văn có thể đo được ánh sáng hồng ngoại phát ra từ vành nhật hoa của Mặt trời.
Pierre Lena bên cạnh chiếc kính viễn vọng trên chiếc Concorde vào ngày 25 tháng 6 năm 1973, tức 5 ngày trước sứ mệnh đuổi theo nhật thực. Ảnh: AFP/Getty Images
Năm thí nghiệm đã được thực hiện trong chuyến bay. Léna và nhóm của ông (Đại học Paris) tập trung nghiên cứu quầng F (F-corona) (phần bên ngoài của vành nhật hoa Mặt trời được chiếu sáng bởi ánh sáng mặt trời tán xạ hoặc phản xạ từ các hạt bụi rắn). Wraight (Đại học Aberdeen) đã đo tác động của nhật thực lên các nguyên tử oxy trong bầu khí quyển Trái đất thông qua một cửa sổ bên cạnh. Liebenberg (Đại học California, Phòng thí nghiệm khoa học Los Alamos) đã đo các xung ở cường độ ánh sáng, trong khi Beckman (Đại học Queen Mary) quan sát sự phát xạ hồng ngoại xa từ sắc quyển. Mặc dù chuến bay thu hút được sự chú ý rộng rãi và lâu dài, nhưng các nhà nghiên cứu năng lượng mặt trời nhìn chung đều đồng ý rằng chuyến bay của Concorde có tác động hạn chế về mặt khoa học. Kevin Reardon của Đài quan sát Mặt trời Quốc gia cho biết về chuyến bay:
Thật kỳ lạ là không có kết quả quan trọng nào được công bố từ nỗ lực này. […] Kết quả khoa học tổng thể không đáng chú ý bằng chính chuyến bay.
Bản thân Léna cũng thừa nhận:
Cả năm thí nghiệm đều thành công, nhưng không có thí nghiệm nào cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về vầng nhật quang cả. Các thí nghiệm đều đóng vai trò của chúng trong sự phát triển bình thường của kiến thức khoa học, nhưng không có kết quả phi thường nào được ghi nhận.
Chiếc Concorde đã bay hoàn hảo trong 74 phút trước khi rời khỏi bóng của Mặt trăng và hạ cánh xuống Fort-Lamy (ngày nay là thủ đô N’Djamena của nước Cộng Hòa Chad). Đối với các nhà khoa học và phi công trên máy bay, họ được chứng kiến một trong những cảnh tượng đẹp nhất từ điểm thuận lợi độc đáo nhất.
Chiếc Concorde 001 được trưng bày. Nếu nhìn kỹ, có thể thấy decal biểu tuộng cho chuyến bay ở dưới chữ “Concorde”