Nhật Bản phóng tàu MMX, dự kiến đưa mẫu Phobos và dấu tích có thể có từ Sao Hỏa về Trái Đất năm 2031

Hành trình 5 năm để mang về ít nhất 10 gram vật chất từ một thế giới khác

Tàu thăm dò Martian Moons eXploration của Nhật Bản đã được phóng lên Sao Hỏa với mục tiêu nhỏ nhưng đầy tham vọng: đưa ít nhất 10 gram vật chất từ vệ tinh Phobos về Trái Đất vào năm 2031. Trong những hạt vật chất đó có thể lẫn các mảnh vỡ văng ra từ chính Sao Hỏa, giúp các nhà khoa học tiếp cận vật chất từ một hành tinh mà những chương trình thu thập mẫu trực tiếp gặp nhiều khó khăn về chi phí và kỹ thuật.

Sứ mệnh có tên MMX được phóng bằng tên lửa H3 từ Trung tâm Vũ trụ Tanegashima lúc 4:41 sáng ngày 20 tháng 10 theo giờ chuẩn Nhật Bản, tương ứng ngày 19 tháng 10 ở miền Đông Hoa Kỳ. Tàu tách khỏi tên lửa khoảng 71 phút sau đó, thiết lập liên lạc và mở các tấm pin Mặt Trời.

Yasuhiro Kawakatsu, Giám đốc dự án MMX tại Cơ quan Thám hiểm Hàng không Vũ trụ Nhật Bản, mô tả tình trạng tàu sau khi tách:

Đến lúc này, mọi việc đều suôn sẻ.

Tổng quan sứ mệnh MMX của JAXA phác thảo hành trình gồm quan sát cả hai vệ tinh Sao Hỏa, triển khai một xe tự hành trước khi tàu chính tới nơi, lấy mẫu trên Phobos và thu hồi khoang chứa mẫu ở Australia. Mục tiêu của cơ quan này là thu về tổng cộng ít nhất 10 gram, chứ không bảo đảm lấy được một lượng nhất định ở mỗi điểm hạ cánh.

MMX kế thừa kinh nghiệm từ các sứ mệnh Hayabusa của Nhật Bản, từng đưa mẫu vật từ các tiểu hành tinh Itokawa và Ryugu về Trái Đất vào năm 2010 và 2020. Điểm đến lần này tạo ra một thách thức mới: hoạt động gần một vệ tinh nhỏ trong khi lực hút liên tục tác động lên tàu từ Sao Hỏa, thiên thể lớn hơn nhiều.

Hiroshi Yamakawa, Chủ tịch JAXA, tuyên bố vụ phóng thành công và mô tả thời điểm bắt đầu sứ mệnh:

Hành trình dài 5 năm vừa bắt đầu.

Điều gì diễn ra từ lúc phóng đến khi hạ cánh ở Australia?

Dự kiến MMX sẽ tới Sao Hỏa vào tháng 8 năm sau, sau đó dành khoảng 3 năm khảo sát hành tinh này và các vệ tinh của nó. Hành trình trở về dự kiến mất thêm khoảng một năm.

Trang dự án MMX của JAXA nêu lịch trình tổng quát theo các năm tài chính của Nhật Bản: phóng vào năm tài chính 2026, đi vào quỹ đạo Sao Hỏa năm tài chính 2027 và trở về năm tài chính 2031. Năm tài chính Nhật Bản bắt đầu vào tháng 4, trong khi lịch trình chi tiết được công bố của sứ mệnh dự kiến tàu trở về Trái Đất trong năm dương lịch 2031.

• Ngày 20 tháng 10 năm 2026, giờ Nhật Bản: MMX được phóng từ Tanegashima bằng tên lửa H3.
• Tháng 8 năm 2027: Dự kiến tàu tới Sao Hỏa và bắt đầu chiến dịch quan sát.
• Cuối năm 2028 hoặc đầu năm 2029: Các dự báo vận hành cho thấy xe tự hành Idefix sẽ được triển khai trong giai đoạn này, tiếp đó tàu có thể hạ cánh vào năm 2029. Trong lộ trình công khai, JAXA xếp các hoạt động quan sát và lấy mẫu chi tiết vào năm 2030.
• Năm 2030: Theo kế hoạch, MMX rời Sao Hỏa; các thông tin về vụ phóng nêu tháng 11 là thời điểm dự kiến khởi hành.
• Năm 2031: Khoang chứa mẫu dự kiến hạ cánh ở Australia trước khi vật liệu được đưa về Nhật Bản.

Deimos, vệ tinh nhỏ hơn của Sao Hỏa, cũng nằm trong chương trình quan sát. MMX dự kiến nghiên cứu vệ tinh này từ xa và trong các lần bay sượt qua. Kế hoạch lấy mẫu chi tiết tập trung vào Phobos; Deimos sẽ được khảo sát qua các quan sát của tàu.

Vì sao nguồn gốc của các vệ tinh này khó lý giải đến vậy?

Phobos rộng khoảng 22 km và quay quanh Sao Hỏa ở độ cao khoảng 6.000 km so với bề mặt hành tinh, hoàn thành khoảng 3 vòng quỹ đạo mỗi ngày. Deimos nhỏ hơn, rộng khoảng 12 km. Cả hai đều không giống Mặt Trăng lớn, hình cầu của Trái Đất.

Có hai giả thuyết chính cạnh tranh nhau để giải thích sự hình thành của chúng. Theo giả thuyết bắt giữ, ban đầu chúng là các tiểu hành tinh bị Sao Hỏa hút giữ bằng lực hấp dẫn. Theo giả thuyết va chạm lớn, một vụ va chạm đã hất vật chất từ Sao Hỏa ra không gian, nơi một phần tụ lại thành các vệ tinh.

Bề mặt tối của chúng giống một số tiểu hành tinh nguyên thủy, ủng hộ giả thuyết bắt giữ. Quỹ đạo gần tròn quanh xích đạo Sao Hỏa lại phù hợp hơn với khả năng chúng hình thành từ một vành đai mảnh vỡ do va chạm. Lực hấp dẫn tương đối yếu của Sao Hỏa cũng khiến việc giữ lại một tiểu hành tinh nguyên vẹn bay ngang qua trở nên khó khăn.

Tom Statler, nhà khoa học hàng đầu về các thiên thể nhỏ trong hệ Mặt Trời của NASA, mô tả cách MMX kiểm chứng các giả thuyết này:

Bằng cách tới các vệ tinh của Sao Hỏa, nghiên cứu chúng ở cự ly gần và đưa mẫu vật về Trái Đất, chúng ta sẽ có thể xác định liệu vật chất từ Phobos phù hợp hơn với thành phần của một tiểu hành tinh hay với mảnh vỡ hình thành sau một vụ va chạm liên quan đến Sao Hỏa.

Các hạt vật chất có thể tiết lộ điều gì về nước và lịch sử hành tinh?

Các phép đo trong phòng thí nghiệm có thể phân biệt vật chất bị nung nóng trong một vụ va chạm khổng lồ với vật chất được bảo tồn bên trong một tiểu hành tinh cổ đại. Một vụ va chạm lớn có thể để lại đá dạng thủy tinh, khoáng vật biến đổi dưới áp suất cực cao và dấu hiệu cho thấy các chất dễ bay hơi, trong đó có nước, đã thất thoát.

Nếu có nguồn gốc tiểu hành tinh, vật chất có thể chứa nhiều carbon, đất sét và hợp chất hữu cơ hơn. Hợp chất hữu cơ là các chất hóa học có chứa carbon, bao gồm nhiều chất tham gia vào các hệ thống sống. Các nhà khoa học sẽ nghiên cứu thành phần và lịch sử của chúng cùng với các khoáng vật xung quanh.

Thành phần đồng vị của nước có thể là một manh mối khác. Hydro thông thường và dạng nặng hơn của nó là deuteri có tỷ lệ khác nhau ở các vùng khác nhau trong hệ Mặt Trời. Đo tỷ lệ của chúng trong mẫu vật đưa về có thể giúp các nhà nghiên cứu xác định nơi vật chất hình thành và tìm hiểu cách nước đến được các hành tinh đá.

Các nhà khoa học cũng đang kiểm tra những biến thể của hai giả thuyết nguồn gốc chính. Jacob Kegerreis, nhà khoa học hành tinh tại Đại học Imperial College London, đã mô phỏng một tiểu hành tinh bị lực hấp dẫn của Sao Hỏa xé vỡ, tạo thành đĩa mảnh vụn có thể hình thành các vệ tinh. Matija Cuk, nhà khoa học nghiên cứu tại Viện SETI, xem xét các chu kỳ lặp lại trong đó một vệ tinh vỡ ra rồi tái hình thành thành một vật thể nhỏ hơn.

Tuổi của khoáng vật và những tác động do phơi nhiễm trong không gian có thể giúp kiểm chứng các quá trình đó. Các nhà nghiên cứu cũng hy vọng cải thiện dòng thời gian về những vụ va chạm quanh Sao Hỏa. Việc định tuổi các hạt vật chất đưa về có thể cung cấp mốc tham chiếu vững chắc hơn so với cách làm hiện nay là điều chỉnh niên đại được xây dựng từ Mặt Trăng của Trái Đất.

Phobos có thể đã thu gom các mảnh vỡ từ Sao Hỏa

Các vụ va chạm tiểu hành tinh trên Sao Hỏa có thể hất đá và bụi ra không gian. Do Phobos quay quanh gần đó, một phần mảnh vụn có thể lắng xuống bề mặt vệ tinh này. Vì vậy, MMX có thể thu thập hỗn hợp vật chất từ vệ tinh và các hạt có nguồn gốc từ Sao Hỏa.

Kiyoshi Kuramoto, nhà khoa học hành tinh tại Đại học Hokkaido, người đứng đầu nhóm khoa học quốc tế của sứ mệnh, ước tính vật chất từ Sao Hỏa có thể chiếm khoảng 1% mẫu. Với tỷ lệ đó, bộ mẫu nặng 10 gram sẽ chứa khoảng 0,1 gram, tức 100 milligram, vật chất từ Sao Hỏa. Tỷ lệ thực tế chỉ được biết sau khi các nhà nghiên cứu nhận diện và phân tích những hạt vật chất được đưa về.

Một số mảnh có thể bắt nguồn từ những tảng đá cổ hình thành khi Sao Hỏa ấm và ẩm ướt hơn. Những mảnh khác có thể bị các vụ va chạm sau này đào lên từ sâu bên trong lớp vỏ. Các nhà nghiên cứu có thể liên hệ một số vật chất trẻ hơn với những hố va chạm tương đối mới trên Sao Hỏa.

Việc nhận diện các hạt này sẽ rất khó khăn. Chúng có thể cực nhỏ, vị trí ban đầu có thể không rõ ràng, còn quá trình phơi nhiễm bức xạ trên Phobos không có khí quyển sẽ làm biến đổi chúng. Các nhà khoa học sẽ cần tái dựng lịch sử của chúng thông qua thành phần hóa học, cấu trúc khoáng vật và phép đo tuổi.

Xe tự hành đi trước vào môi trường trọng lực cực yếu

Idefix, xe tự hành do các cơ quan vũ trụ Pháp và Đức đóng góp, sẽ khảo sát Phobos trước khi tàu chính thử hạ cánh. Xe nặng khoảng 25 kg và có thể hoạt động trong khoảng 100 ngày.

MMX sẽ thả xe từ độ cao dưới 100 mét so với bề mặt. Trọng lực bề mặt Phobos chưa bằng một phần nghìn so với Trái Đất, nên xe sẽ hạ xuống nhẹ nhàng. Tuy nhiên, việc hạ cánh vẫn phức tạp vì robot có thể nảy lên hoặc lật nghiêng; khi di chuyển, xe cần được điều khiển cẩn thận để bánh luôn tiếp xúc với mặt đất.

Idefix mang theo camera và thiết bị để khảo sát khoáng vật cùng đặc tính bề mặt. Các quan sát của xe sẽ giúp nhóm nghiên cứu đánh giá mặt đất cứng hay tơi, nhận diện nguy cơ và chọn những địa điểm có thông tin địa chất hữu ích.

Tàu chính sẽ tự khảo sát bằng camera, lidar và máy quang phổ trong số 13 thiết bị khoa học. Lidar đo khoảng cách bằng ánh sáng laser, cho phép lập bản đồ độ dốc và hình dạng bề mặt. Máy quang phổ phân tích ánh sáng hoặc các dạng bức xạ khác để xác định những chất hiện diện.

Các đóng góp của NASA bao gồm MEGANE, máy quang phổ tia gamma và neutron do các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng thuộc Đại học Johns Hopkins và Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore phát triển. Thiết bị sẽ đo tín hiệu phát ra khi các hạt năng lượng cao va vào bề mặt, giúp các nhà khoa học xác định những nguyên tố hóa học có trong Phobos.

Hai phương pháp lấy mẫu, gần như không có chỗ cho sai sót

MMX phải tiếp cận các điểm hạ cánh được lựa chọn với độ chính xác khoảng 10 mét. Địa hình Phobos gồ ghề, trọng lực cực yếu và môi trường hấp dẫn chịu ảnh hưởng lớn từ Sao Hỏa. Tàu sẽ bay quanh Sao Hỏa theo một quỹ đạo giúp nó ở gần Phobos, gọi là quỹ đạo vệ tinh giả, thay vì đi vào quỹ đạo ổn định thông thường quanh vệ tinh này.

JAXA dự kiến thực hiện tối đa hai lần hạ cánh, tạo cơ hội thu thập vật chất ở các địa hình khác nhau. Qua những bộ lọc nhất định, một số vùng trên Phobos có màu đỏ hoặc xanh lam, có thể phản ánh khác biệt về khoáng vật, va chạm hoặc mức độ phơi nhiễm trong không gian.

Một thiết bị lấy mẫu lõi sẽ xuyên xuống khoảng 2 cm dưới bề mặt. Thiết bị lấy mẫu thứ hai do NASA cung cấp sẽ phun khí nitơ nén để gom các hạt rời vào một hộp chứa. Kết hợp hai phương pháp giúp nhóm nghiên cứu tiếp cận cả vật chất ở lớp dưới bề mặt nông và bụi trên bề mặt.

Thời gian tàu ở trên mặt đất dự kiến chỉ tính bằng giờ. Các chân hạ cánh phải hấp thụ lực tiếp xúc đủ nhẹ để tàu không bị lật hoặc bật trở lại không gian. Các kỹ sư cũng phải xử lý độ trễ liên lạc, có thể lên tới 44 phút cho một tín hiệu đi đến tàu rồi quay về, theo JAXA.

Do đó, các chuyên gia điều khiển trên Trái Đất không thể phản ứng tức thì trong lúc tàu hạ xuống. Tàu cần hệ thống dẫn đường và điều khiển trên khoang để thực hiện đúng lộ trình tiếp cận đã định và xử lý những thay đổi nhanh chóng.

Việc tìm kiếm dấu vết sự sống cổ đại có thể tiến xa đến đâu?

Các nhà khoa học hy vọng những hạt vật chất có thể đến từ Sao Hỏa sẽ hé lộ các điều kiện từng có khả năng duy trì sự sống. Khoáng vật liên quan đến nước và hóa học hữu cơ được bảo tồn có thể giúp tái dựng môi trường trên hành tinh này trong quá khứ.

Kuramoto, trưởng nhóm khoa học của sứ mệnh, nêu khả năng đầy tham vọng hơn:

Tôi thực sự nghĩ rằng trong mẫu cát đó có thể chứa dấu vết hóa học của hoạt động sinh học.

Nghiên cứu về khả năng sống sót trong các vụ va chạm giúp lý giải vì sao các nhà khoa học cân nhắc khả năng này. Lily Zhao, nghiên cứu sinh tiến sĩ vừa tốt nghiệp tại Đại học Johns Hopkins, đã thử tạo các cú sốc tương tự một số khía cạnh của va chạm tiểu hành tinh lên vi khuẩn Deinococcus radiodurans có sức chịu đựng cao. Một số vi khuẩn sống sót ở mức áp suất gấp tới 30 lần áp suất tại rãnh đại dương sâu nhất.

Thí nghiệm chỉ xem xét một giai đoạn trong hành trình đầy khó khăn. Bất kỳ vật chất sinh học nào di chuyển từ Sao Hỏa đến Phobos cũng phải chịu lực hất văng, hành trình trong không gian, va chạm khi hạ cánh và thời gian dài phơi nhiễm bức xạ. Các nhà nghiên cứu phân tích mẫu MMX sẽ cần tìm hiểu lịch sử đó, đồng thời kiểm soát chặt chẽ nguy cơ nhiễm bẩn từ Trái Đất.

Wataru Fujiya, nhà hóa học vũ trụ tại Đại học Ibaraki và trưởng nhóm phân tích mẫu, dự kiến các hạt sẽ được xử lý trong các buồng thí nghiệm bảo vệ tại Viện Khoa học Vũ trụ và Du hành Vũ trụ của JAXA ở Sagamihara. Môi trường chân không hoặc khí nitơ trơ sẽ giúp bảo quản vật chất cho quá trình nghiên cứu.

Con đường khác với cuộc đua đưa đá Sao Hỏa về Trái Đất

Tàu tự hành Perseverance của NASA đã thu thập các mẫu Sao Hỏa được lựa chọn kỹ lưỡng từ năm 2021, đồng thời ghi lại các tảng đá và môi trường xung quanh nơi chúng được lấy. Nỗ lực dự kiến thu hồi các mẫu này đã mất nguồn tài trợ của Quốc hội Mỹ giữa lúc chi phí tăng và có lo ngại về tính khả thi kỹ thuật, trong đó có việc phóng vật chất đã thu thập khỏi bề mặt Sao Hỏa.

MMX chọn một con đường khác khi lấy mẫu trên một vệ tinh có trọng lực yếu hơn nhiều. Các hạt vật chất từ Sao Hỏa tìm thấy ở đó sẽ giúp các nhà khoa học tiếp cận vật liệu có lịch sử địa chất kém rõ ràng hơn, trong khi bộ mẫu Phobos cũng sẽ giúp giải đáp những câu hỏi riêng về sự hình thành vệ tinh và quá trình vật chất di chuyển trong hệ Mặt Trời.

Sứ mệnh Tianwen-3 của Trung Quốc dự kiến phóng vào khoảng năm 2028 và có thể đưa mẫu trực tiếp từ Sao Hỏa về Trái Đất sớm nhất vào năm 2031. Lịch trình của sứ mệnh này và lịch trình trở về của MMX khiến thứ tự các tàu tới nơi chưa chắc chắn.

Ước tính vào thời điểm phóng đưa chi phí MMX lên mức 578 triệu USD, cao hơn mức ước tính 350 triệu USD được công bố trước đó. Năm cơ quan vũ trụ tham gia, kết hợp kinh nghiệm chế tạo tàu và đưa mẫu về Trái Đất của Nhật Bản với thiết bị khoa học, công nghệ xe tự hành và hỗ trợ nghiên cứu từ các đối tác quốc tế.

Sau khi được thu hồi ở Australia, JAXA dự kiến phân loại và lập danh mục vật chất trước khi chia một phần cho các nghiên cứu. Trung tâm Vũ trụ Johnson của NASA dự kiến nhận 15% bộ mẫu. Nếu MMX đưa về đúng 10 gram, phần này sẽ nặng 1,5 gram.

Các sứ mệnh tiểu hành tinh trước đây của Nhật Bản cho thấy những mẫu vật rất nhỏ vẫn có thể phục vụ nghiên cứu sâu rộng trong phòng thí nghiệm. MMX giờ phải hoàn thành các bước vận hành khó hơn: tới Sao Hỏa, khảo sát địa hình chưa quen thuộc, hạ cánh an toàn, thu thập vật chất và đưa chúng về Trái Đất. Các nỗ lực của Liên Xô và Nga nhằm nghiên cứu Phobos, trong đó có sứ mệnh Phobos-Grunt phóng năm 2011, đều thất bại trước khi hoàn thành mục tiêu.

Điểm chính

• MMX được phóng từ Tanegashima ngày 20 tháng 10 theo giờ Nhật Bản, tương ứng ngày 19 tháng 10 ở miền Đông Hoa Kỳ.
• JAXA đặt mục tiêu đưa ít nhất 10 gram vật chất từ Phobos về Trái Đất vào năm 2031.
• Xe tự hành Idefix sẽ khảo sát bề mặt trước tối đa hai lần tàu hạ cánh, sử dụng thiết bị lấy lõi và lấy mẫu bằng khí.
• Các hạt vật chất đưa về có thể giúp lý giải cách các vệ tinh Sao Hỏa hình thành và cách nước cùng vật chất hữu cơ di chuyển trong hệ Mặt Trời.
• Các nhà khoa học ước tính mảnh vỡ từ Sao Hỏa có thể chiếm khoảng 1% bộ mẫu.
• Khoang chứa mẫu dự kiến hạ cánh ở Australia; sau đó mẫu sẽ được nghiên cứu tại Nhật Bản và chia sẻ với các đối tác quốc tế.