Voyager 1 còn sống và mới gửi cho NASA một tin nhắn Đáng Sợ Nhưng nó làm như thế nào Thiên Hà TV

Cặp tàu thăm dò song sinh Voyager của NASA được phóng vào năm 1977 đã khiến cả thế giới kinh ngạc với những chuyến hành trình lịch sử tới sao mộc, sao thổ, sao thiên vương và sao hải vương, với bộ nhớ ít hơn khoảng 3 triệu lần so với điện thoại thông minh hiện nay, chuyển dữ liệu với tốc độ chậm hơn khoảng 38.000 lần so với bằng thông 5G. Mặc dù vậy, bộ đôi tàu Voyager vẫn đi đầu trong việc khám phá không gian, thậm chí chúng còn được NASA cập nhật phần mềm phục vụ cho những hoạt động tiếp theo. Vậy, họ làm điều đó như thế nào? Bộ đôi tàu Voyager sẽ có hoạt động gì tiếp theo? Vào năm 2015, NASA đã đăng một tin tuyển dụng tìm kiếm một kỹ sư phần mềm với một loạt kỹ năng cụ thể. Người đó phải là chuyên gia về FORTRAN và hợp ngữ, hai ngôn ngữ lập trình từ những năm 40 và 50 mà hầu hết những sinh viên trẻ mới thuất nghiệp không biết. Công việc là tham gia vào một nhóm rất nhỏ gồm những người làm việc trên tàu thăm dò không gian Voyager. Điều đáng kinh ngạc là cả hai tàu Voyager vẫn chạy trên những máy tính ban đầu đã 50 năm tuổi và chỉ có 70 kilobyte bộ nhớ. Nghe có vẻ không nhiều, nhưng nó đủ để điều hướng cả hai tàu thăm dò không gian trong hệ mặt trời của chúng ta và thực hiện những khám phá đáng kinh ngạc trên đường đi. Không có gì đáng ngạc nhiên khi có sự cấu xảy ra với máy tính của tàu Voyager. Mới vừa qua, Voyager 1 đã bắt đầu gửi lại dữ liệu rác cho trạm điều khiển dưới chai đất. Ngoài ra, các động cơ đẩy chịu trách nhiệm giữ cho tàu Voyager đi đúng hướng đã bắt đầu có dấu hiệu miệt mỏi. Mỗi lần sử dụng bộ đẩy, những mổ nhân liệu hydrazine nhỏ sẽ bị kẹt trong đường ống. Điều này tiếp tục theo thời gian gây ra tình trạng tắc nghẽn trong hệ thống. Tàu thăm dò đã có sẵn các động cơ đẩy giữ phòng và vì vậy nếu những bộ đẩy này thất bại thì đó sẽ là rối chấm hết cho Voyager. Ở khoảng cách 24 tỷ km, không có cách nào làm sạch các ống. Nhưng để làm chậm quá trình tích tụ và khắc phục sự cố về dữ liệu rác, một nhóm nhỏ phụ trách tàu Voyager đã bắt đầu viết một bản cập nhật phần mềm sẽ được gửi khắp vũ trụ của chúng ta để khắc phục vấn đề. Có 3 máy tính chính trên tàu Voyager. Máy tính chính điều khiển tất cả các thiết bị chính, duy trì tình trạng hoạt động và nhiệt độ của nó, đồng thời điều khiển 2 máy tính còn lại. Máy tính thứ 2 chữ trách nhiệm về hướng của tàu thăm dò, nên nó tìm kiếm các điểm tham chiếu được xác định trước và kích hoạt các bộ đẩy để sửa anten của Voyager hướng về trái đất. Máy tính thứ 3 chữ trách nhiệm lưu trữ và xử lý tất cả các dữ liệu khoa học và hình ảnh được chụp bởi các thiết bị của Voyager. Con tàu không có hệ điều hành và bất kỳ loại ngôn ngữ lập trình nào chiếm quá nhiều dung lượng. Nhưng đây không phải là lần đầu tiên Voyager được cập nhật. Tại sao Hải Vương, ảnh sáng mở hơn 900 lần so với trên trái đất, nên để chụp được ảnh, các kỹ sư phải lập trình lại máy ảnh để có thời gian phơi sáng lâu hơn. Sau khi rời khỏi sao Hải Vương, NASA bắt đầu tắt những thứ như máy ảnh và nhiều thiết bị khoa học khác nhau để tiết kiệp năng lượng. Nhưng chỉ với 70% kilobyte bộ nhớ trên máy tính của mình, việc có các dòng mã cho các thiết bị đã hết tác dụng là một sự lãng phí không gian. Và thế là, họ đã viết lại hoàn toàn mã của Voyager và thực hiện cập nhật phần mềm để đảm bảo rằng nó tiếp tục tồn tại trong tương lai gần. Nhưng làm cách nào NASA cập nhật phần cứng cũ như vậy từ cách xa hàng tỷ km? Để thực hiện cập nhật phần mềm trên tàu Voyager, NASA cần cài đặt mã mới vào máy tính của mình. Có lẽ điều thú vị nhất về máy tính của tàu Voyager là bộ nhớ. Mỗi máy tính đều có bộ nhớ dây mạng riêng, lưu chữ mã của Voyager ở dạng cơ bản nhất là số 1 và số 0. Bộ nhớ này bao gồm một lưới vật lý, gồm các dây và tấm kim loại mỏng. Mỗi điểm giao nhau có thể được coi là một bít bộ nhớ và có thể lưu chữ giá trị 1 hoặc 0. Bằng cách cho dòng điện chạy qua một trong các tấm và một sợi dây cụ thể, nó sẽ tạo ra một từ trường. Nếu từ trường nằm theo hướng thuận thì nó được coi là bằng 0, nếu nó đi theo hướng ngược lại thì đó là 1. Bằng cách chuyển dòng điện theo hướng ngược lại, nó sẽ thay đổi hướng của từ trường và chuyển bít về 0. Bằng cách thực hiện việc này trong mọi điểm, bạn có thể lưu những số 0 và số 1 này vào bộ nhớ. Thiết kế này là một lựa chọn tuyệt vời vào thời điểm đó, vì ngay cả khi mất điện, các số 1 và 0 vẫn sẽ được lưu vào bộ nhớ. Điều đó cũng có nghĩa là mỗi bít đều có thể được cập nhật. Chỉ với 70 kB tổng bộ nhớ trên tàu Voyager, các kỹ sư phải cực kỳ tối ưu với mã của họ. Cùng với mã máy cơ bản này, tàu Voyager còn có mã giả riêng. Về cơ bản, một loạt lệnh phím tắt có thể được kết hoạt để thực hiện các tác vụ lập đi lập lại mà không chiếm quá nhiều bộ nhớ. Một bộ dĩ trên máy tính chính sẽ đọc số 1 và số 0. Sau khi gặp một mã được xác định trước, nó sẽ khởi tạo mã giả để thực hiện lệnh. Điều này giúp tiết kiệm nhiều bộ nhớ và cho phép tự động hóa nhiều tác vụ mà không cần viết ra những dòng mã dài. Nhưng vấn đề là con người không thể viết mã chỉ bằng số 1 và số 0. Và do đó, cần có một ngôn ngữ nâng cao hơn để thực sự viết mã cho Voyager. Trên trái đất, phần mềm cho tàu Voyager ban đầu được viết bằng hợp ngữ với một chút FORTRAN. Hợp ngữ là một ngôn ngữ rất đơn giản mà con người có thể hiểu được, nhưng gần với ngôn ngữ cơ bản và số 0 của ngôn ngữ máy. Sau khi mã hoàn tất, nó sẽ được biên dịch thành mã máy và có thể được gửi tới tàu Voyager bằng mạng không gian sâu. Dữ liệu được gửi tới Voyager với tốc độ 16 bit mỗi giây và phải mất gần cả ngày để thực sự đến được con tàu. Các máy tính trên tàu Voyager được điều khiển bằng ngắt. Điều này có nghĩa là phần mềm sẽ được thực hiện theo danh sách hướng dẫn thông thường cho đến khi bị gián đoạn. Khi một bản cập nhật được gửi tới Voyager, nó sẽ mang theo một tín hiệu ngắt. Khi con tàu nhận được thông tin này, nó sẽ yêu cầu máy tính chính dừng công việc đang thực hiện và thay vào đó làm việc theo hướng dẫn cập nhật. Sau đó, nó tải mã mới vào bộ nhớ, lật tất cả các bit sang vị trí mới. Tiếp theo, mã sẽ được đọc qua để kiểm tra xem mọi thứ có chính xác không. Sau đó, máy tính chính khởi động mã đó và quay lại hoạt động bình thường. Trong những năm qua, Voyager đã nhận được một danh sách dài các bản cập nhật và bản vá lỗi để khắc phục và cải thiện cách nó hoạt động. Vào năm 1995, một bản cập nhật đã được viết ra về cơ bản sẽ khởi động lại một số thành phần nhất định nếu chúng bị lỗi. Vào năm 2014, khoảng 20 năm sau khi mã được viết, nó đã cứu Voyager 1 khi một phần cứng gặp trục chặc. Vào năm 2010, một phần bộ nhớ của nó đã bị đảo lộn, thay đổi số 0 thành số 1. Điều này khiến các máy tính mất đồng bộ hòa với nhau và các lệnh bắt đầu diễn ra muộn hơn 2 giờ rưỡi so với dự kiến. Một bản cập nhật phần mềm đã được gửi lên để lật biết bị lỗi trở lại vị trí chính xác. Những câu chuyện đáng kinh ngạc như thế này đã giúp hai con tổ thăm dò không gian mang tính biểu tượng này tồn tại gần 50 năm trong không gian. Thật đáng kinh ngạc khi các dây dẫn vật lý, bòng bán dẫn và phần cứng trên máy tính của du hành vẫn hoạt động như dự kiến sau suốt thời gian qua. Cách tổ vũ trụ chuyển dữ liệu trong không gian sâu Giả sử bạn muốn gửi lệnh tới một vệ tinh được đặt trong quỹ đạo điện tĩnh cách trái đất 36.000 km. Đầu tiên, lệnh được chuyển đổi thành sóng vô tuyến. Một loại bức xạ điện tử chuyển với tốc độ 300.000 km mỗi giây, từng đường tốc độ ánh sáng. Sau khi lệnh được chuyển đổi thành tín hiệu, anten của chạm mặt đất sẽ chuyển tín hiệu đó tới vệ tinh. Vệ tinh sẽ sử dụng anten rất nhạy để nhận tín hiệu. Sau đó, hệ thống trên bo mạch sẽ chuyển đổi tín hiệu đó thành mã mà máy tính trên bo mạch có thể hiểu được. Hầu hết các vệ tinh sẽ có đường lên và đường xuống để cho phép vệ tinh gửi dữ liệu trở lại trái đất. Năm 1962, NASA nhận ra rằng họ sẽ cần một hệ thống liên lạc hoàn toàn mới cho các sứ mệnh Apollo. Các sứ mệnh Apollo không chỉ tiến xa hơn nhiều với bất kỳ sứ mệnh nào trước đó. Họ còn phải liên lạc với ba phi hành gia làm việc trên hai tàu vũ trụ khác nhau, cũng như gửi các hình ảnh đo từ xa và truyền hình trực tiếp về trái đất. Họ đã phát triển một hệ thống có tên Universe X-Band có thể gửi dữ liệu đo từ xa, lệnh, giọng nói và truyền hình bằng các tần số khác nhau, nhưng được kết hợp thành một antenna duy nhất. Hệ thống này sẽ liên lạc với tàu vũ trụ Apollo thông qua các chặng mặt đất cố định xung quanh trái đất. Điều này sẽ cho phép bộ điều kiển sứ mệnh liên lạc liên tục với các phi hành gia trong suốt sứ mệnh, ngoại trừ khi tàu vũ trụ bay vòng quanh phía xa của mặt trăng, nơi tín hiệu sẽ bị mất cho đến khi họ xuất hiện trở lại ở phía bên kia 40 phút sau. Trong thời gian này, các phi hành gia phải khởi động động cơ trong một thao tác quan trọng để đảm bảo họ xuất hiện trở lại ở phía bên kia của mặt trăng. Nếu phi hành đoàn thực hiện thành công, điều đó sẽ đưa họ đi theo quỹ đạo dự kiến, có nghĩa là phòng điều khiển mặt đất biết chính xác khi nào họ sẽ lấy lại liên lạc với phi hành đoàn Apollo 8. Tất nhiên, việc mất tín hiệu này cũng có thể xảy ra với các vệ tinh quay quanh trái đất khi máy phát không có đường dẫn rõ ràng đến vệ tinh. Để giải quyết vấn đề này, NASA đã thiết lập mạng không gian, sử dụng các vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh để truyền tiếp dữ liệu từ các vệ tinh khác đến các trạng mặt đất cố định. Điều này cung cấp phạm vi phủ sống toàn cầu liên tục cho tất cả các quỹ đạo trái đất. Mạng không gian có thể bao phủ các vệ tinh trên quỹ đạo trái đất. Thế nhưng còn các vệ tinh ở xa hơn thì sao? Khoảng cách xa nhất mà một vệ tinh có thể quay quanh trái đất trước khi lực hấp dẫn của mặt trời bằng với trái đất là khoảng 1,5 triệu km. Nhưng còn những vệ tinh ở cách xa hàng tỷ km thì sao? Phần thể nhân tạo xa trái đất nhất là tổ thăm dò không gian Voyager 1. Nó được phóng vào năm 1977 để nghiên cứu hệ mặt trời bên ngoài. Nó hiện cách trái đất 24 tỷ km và di chuyển với tốc độ 62.000 km trên giờ. Con máy phát được mạng không gian sử dụng không đủ mạnh để tiếp cận và nhận dữ liệu từ các vệ tinh không gian sâu. Đối với các tổ vũ trụ ở khoảng cách xa như vậy chúng ta cần một thứ gọi là mạng không gian sâu để liên lạc. Mạng không gian sâu bao gồm các tổ hợp anten tại 3 địa điểm trên khắp thế giới ở Mỹ, Tây Ban Nha và Úc. Các cơ sở này cách đều nhau 120 độ trên trái đất. Để lỡ khi trạm này không nhận được tin nhắn do trái đất quay trạm khác có thể ngay lập tức kết nối không để gián đoạn liên lạc. Mỗi tổ hợp có một anten dài 70 mét cũng như 2 anten hiệu sức cao nhỏ hơn. Các vệ tinh ở gần trái đất thường sử dụng anten có mức tập trung thấp để chuyển tín hiệu theo mọi hướng khiến việc thu tín hiệu ở đây trên trái đất tương đối dễ dàng. Các vệ tinh trong không gian sâu sử dụng anten có độ tập trung cao để đạt được cường độ tín hiệu mạnh hơn nhiều khi đến trái đất. Hiện nay, nhu cầu đạt ra đối với các hệ thống thông tin liên lạc trong không gian sâu ngày càng tăng. Tính đến tháng 3 năm 2016, tổ quỹ đạo trình sát sao hòa đã trả lại hơn 300 TB dữ liệu và khi chúng ta tiếp tục phóng ngày càng nhiều vệ tinh vào không gian sâu, NASA ước tính rằng khả năng liên lạc trong không gian của chúng ta sẽ cần tăng gấp 10 lần trong 10 năm tới. Vì vậy, khi chúng ta tiếp tục nhìn ra hơn vào không gian, thật tốt khi biết rằng những con tổ vũ trụ nhỏ bé dũng cảm mà chúng ta gửi đến giữa hệ mặt trời có thể nói chuyện lại với chúng ta và cho chúng ta biết ngoài kia nó như thế nào. Tính đến thời điểm hiện tại, tầu Voyager vẫn giữ liên lạc với hệ thống không gian sâu để truyền dữ liệu về trái đất và để nhận lệnh từ NASA. Dữ liệu vận tốc và khoảng cách theo thời gian thực của chúng vẫn được cập nhật không ngừng. Trong những năm qua, nhóm các nhà khoa học thực hiện dự án tổ Voyager đã quen với việc vượt qua những thách thức và vận hành những con tổ vũ trụ giả nua như vậy. Đôi khi họ phải nhờ đến các đồng nghiệp đã nghỉ hưu, những người có chuyên môn của nền khoa học vũ trụ và thời đại cặp tầu được thiết kế hoặc tự tìm hiểu các tài liệu được viết từ nhiều thập kỷ trước. Tuy có thiết kế giống nhau, nhưng bộ đôi tầu Voyager hoạt động ở trên hai quỹ đạo riêng biệt. Mỗi con tổ này được có một đĩa mạ vàng với đường kính 30,48 cm này là những bản nhạc, hình ảnh và âm thanh được lựa chọn bởi một ủy ban do tiến sĩ Carl Sagan thuộc Đại học Cornell, Mỹ đứng đầu. Họ gọi đây là một bức thư trong chai thủy tinh được ném ra đại dương vũ trụ. Hai đĩa Phonograph này được tạo ra bởi sự hợp tác của rất nhiều công ty khác nhau từ Pháp và Mỹ. Phỏ đĩa được làm từ nhôm và được mạ uranium-238 siêu tinh khiết có chua kỳ bán giá 4,468 tỷ năm. Phía trong đĩa hát được hát dòng chữ Trong mỗi chiếc đĩa The Voyager Golden là 115 hình ảnh mô tả con người cảnh vật, khoa học và sự sống trên trái đất. Những hình ảnh này được mã hóa dưới dòng analog và được ghi trên đĩa bởi 512 vạch đứng. Trong quyển sách viết về những bước chuẩn bị để xây dựng và phóng tàu Voyager 1 và 2 tác giả Linda Sussman Sagan đã viết Xuyên suất toàn bộ dự án Voyager Tất cả các quyết định đều dựa trên giả định rằng có hai đối tượng mà thông điệp sẽ được gửi đến Một là loài người như chúng ta nhưng ở một thời gian hoặc không gian khác Hai là những trí tuệ tồn tại trên những ngôi sao xa xôi Dự kiến trong 20.000 năm tiếp theo tàu Voyager sẽ đi qua Proxima Centauri ngôi sao lùn trong tròng sao bán nhân mã Chúng thậm chí có thể sẽ tiếp tục quay quanh thiên hải chúng ta suốt hàng tỷ năm nữa trong trạng thái gần như nguyên vẹn Và ngay cả khi mặt trời không còn nữa họ cho đến khi ai đó tìm thấy chúng và giải mã điễu vàng thành công biết về loài người về dự sống ở đây trên trái đất