Kính viễn vọng James Webb : \”Cỗ máy thời gian\” truy tìm lịch sử vũ trụ

Đăng ngày: 27/12/2021

Chi Phương

Kính viễn vọng lớn nhất và mạnh nhất của nhân loại, James Webb,  vừa được phóng thành công vào không gian ngày 25/12/2021. “Cỗ máy thời gian” được nghiên cứu chế tạo trong gần 30 năm với chi phí lến đến hơn 10 tỷ đô la có thể giúp nhân loại nhìn thấy quá khứ của vũ trụ, và tìm kiếm sự sống bên ngoài Trái đất, mở ra một kỷ nguyên thiên văn học mới.

Khoảng thời gian sau vụ nổ nguyên thủy Big Bang, khi vũ trụ vẫn còn trong giai đoạn sơ khai và những vì sao đầu tiên lấp lánh chứng minh sự tồn tại, vẫn còn là một chương bí ẩn trong lịch sử không gian. Nếu  nghiên cứu được giai đoạn “hỗn loạn” đó của vũ trụ sơ khai, các nhà thiên văn học có thể làm sáng tỏ sự phát triển của vũ trụ trong hơn 13 tỷ năm. Và sau đó chúng ta có thể hiểu được những bí ẩn phi thường nào đã tạo ra các ngôi sao, thiên hà, hố đen và các hành tinh, bao gồm cả những thế giới bên ngoài Trái đất có thể tồn tại sự sống.

Tuy nhiên, ngay cả với những kính viễn vọng tối tân nhất trong không gian và trên mặt đất, các nhà khoa học vẫn thiếu phương tiện để có thể quan sát và tìm hiểu những vật thể lâu đời và xa nhất trong vũ trụ. Mãi cho đến ngày 25/12, như là một món quà Giáng sinh, Cơ quan Hàng không và Không gian Hoa Kỳ (NASA) hợp tác với Cơ quan Vũ trụ Châu Âu và Canada, đã phóng thành công lên vũ trụ kính viễn vọng lớn nhất và mạnh nhất của nhân loại với tên gọi James Webb, được vận chuyển bằng tàu vũ trụ Ariane 5.

Được đặt tên theo một vị lãnh đạo của NASA vào những năm 1990, James Webb là thành quả hợp tác của hàng chục nghìn chuyên gia từ 29 quốc gia làm việc trên đó trong vòng gần 30 năm. Có kích thước bằng một sân tennis, James Webb đã được phóng lên từ một sân bay vũ trụ châu Âu ở Guinée thuộc Pháp, nằm ở bờ biển phía đông nam của Nam Mỹ. Kính viễn vọng này cho phép nhìn sâu hơn vào không gian và chi tiết hơn bất kỳ loại kính thiên văn nào trước đó. Nhà khoa học Elena Sabbi, giám đốc chi nhánh của chương trình Máy đo quang phổ hồng ngoại cự ly gần của NASA, được AP trích dẫn, hy vọng công cụ này sẽ giúp họ \”hiểu cách thức mà các vì sao hình thành.\” :

Chúng ta đã đặt ra nhiều thuyết khác nhau, trong đó có thuyết lý giải rằng ban đầu vũ trụ được hình thành từ một hệ thống khổng lồ, sau đó rồi bị vỡ ra. Theo một thuyết khác thì hoàn toàn ngược lại, đó là tất cả bắt đầu từ những hệ thống nhỏ, sau đó hợp nhất lại và tạo thành một cụm lớn. Chúng tôi hy vọng rằng James Webb sẽ trả lời cho câu hỏi này bằng cách xem xét các vùng chưa hình thành sao. Trong trung tâm thiên hà của chúng ta, vẫn còn những đám mây đen mà chúng ta chưa thể khám phá. Chúng có những đặc tính dẫn đến việc hình thành các cụm và chúng vẫn chưa sẵn sàng. Nhưng James Webb sẽ “mổ xẻ” những vùng này ra và cho chúng ta biết điều gì xảy ra trước khi các ngôi sao hình thành, và cụ thể là điều gì dẫn đến sự hình thành của các ngôi sao

Ngược dòng thời gian tìm lịch sử của vũ trụ

NASA coi sứ mệnh này là \”khoảnh khắc Apollo\” – một bước nhảy vọt khổng lồ có thể cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ và vị trí của nhân loại trong đó. Reuters cho biết, kính viễn vọng James Webb sẽ hoạt động như một máy quay hồng ngoại, phát hiện ánh sáng mà chúng ta không nhìn thấy được và tiết lộ những vùng không gian vẫn còn bị ẩn giấu. “Cỗ máy thời gian” James Webb cho phép nhìn thấy mọi giai đoạn của lịch sử vũ trụ, bao gồm cả những lần phát sáng đầu tiên sau vụ nổ Big Bang, để có thể trả lời các câu hỏi về hệ Mặt trời của chúng ta, và điều tra cách mà các thiên hà đầu tiên hình thành.

So với kính viễn vọng Hubble của NASA và Cơ quan Không gian châu Âu, được phóng lên cách đây hơn 30 năm, kính viễn vọng không gian James Webb mạnh hơn 100 lần. Kính Hubble chỉ quan sát phần nhìn thấy được của quang phổ điện từ, với một chút tia cực tím và tia hồng ngoại, giống như những gì mắt thường có thể nhìn thấy. Kính viễn vọng không gian Hubble đã cho chúng ta những bức ảnh tuyệt vời về các thiên hà xa xôi, các đám mây bụi giữa các vì sao, hoặc các hành tinh trong hệ Mặt trời. Tuy nhiên, khả năng của Hubble không cho phép trả lời tất cả các câu hỏi về sự cấu thành của vũ trụ.

Sự sống bên ngoài Trái đất ?

Với thiết bị tia hồng ngoại, James Webb có thể nhìn xuyên qua các bức màn dày đặc của đám mây bụi vũ trụ, bị che khuất bởi một số thiên thể. Trả lời Reuters, nhà vật lý thiên văn của NASA, ông Tom Greene, đã làm việc trong dự án James Webb trong vòng 25 năm, giải thích nguyên lý hoạt động của tia hồng ngoại như sau :

Bằng tia hồng ngoại, James Webb có thể nhìn thấy các phân tử xung quanh các ngôi sao trẻ vẫn đang hình thành. Vì vậy, chúng ta sẽ biết những khối xây dựng nào quan trọng đối với sự sống đã được đưa vào hệ Mặt trời ban từkhi hình thành. Chúng ta cũng sẽ có thể thấy bầu khí quyển của các hành tinh xung quanh các ngôi sao khác. Chúng ta sẽ quan sát hàng trăm trong số đó và chúng ta sẽ có thể thấy các phân tử dựa trên cacbon, những thứ quan trọng đối với sự sống. Theo đó, nó giúp chúng ta chỉ ra thành phần hóa học và thành phần tổng thể của những bầu khí quyển này mà đến nay chúng ta vẫn chưa biết. Và tôi nghĩ rằng đây sẽ là một bước tiến lớn, không chỉ vì lợi ích nghiên cứu của riêng tôi, mà còn cho toàn bộ ngành vật lý thiên văn. Và nó sẽ giúp chúng ta trả lời những câu hỏi lớn về việc chúng ta đến từ đâu. Còn gì nữa không và liệu chúng ta có phải là duy nhất trong vũ trụ hay không ? 

Do vũ trụ giãn nở, ánh sáng từ các ngôi sao và thiên hà sớm nhất bị kéo giãn, chuyển thành các bước sóng hồng ngoại dài hơn mà mắt người không thể phát hiện được. Kính hồng ngoại cho phép phân tích điều này. Về cơ bản, kính thiên văn hoạt động như một cỗ máy thời gian, vì cần thời gian để ánh sáng di chuyển trong không gian. Như vậy, ánh sáng đến từ những thiên hà xa nhất chiếu tới kính viễn vọng James Webb không chỉ cho biết điều kiện hiện tại của nó, mà còn cung cấp những hiểu biết sâu sắc về cách vũ trụ hình thành như thế nào hàng tỷ năm trước.

Vẫn còn nhiều rủi ro đối với kính thiên văn phức tạp nhất

Công nghệ tia hồng ngoại không phải là đặc tính duy nhất khiến kính James Webb nổi bật, France 24 cho biết. Với đường kính 6,5 mét, (gần gấp 3 gần so với kính Hubble), gương chính của nó bao gồm 18 phân đoạn lục giác được căn chỉnh chính xác bởi 132 động cơ nhỏ ở một bộ phận của bước sóng ánh sáng cận hồng ngoại, tương đương với độ dày của 1/10 000 sợi tóc, để tạo nên một ống kính hoàn hảo duy nhất. Tất cả các phần tử được làm bằng berili, một vật liệu nhẹ, và chắc chắn, và cũng rất nguy hiểm để chế tạo. Vật liệu này giúp cho máy móc giữ được hình dạng ở nhiệt độ rất thấp. Gương chính cũng được phủ một lớp vàng có độ dày 700 nguyên tử ( mỏng hơn sợi tóc 1000 lần) để tối ưu hoá phản chiếu của bức xạ hồng ngoại

Do kích thước lớn, nên để có thể được triển khai phóng một lần lên không gian, gương cần phải gập lại thành 3 lần, vì nếu không thì không có tên lửa nào đủ lớn để vận chuyển nó. Sau khi được phóng lên và đi vào quỹ đạo của nó, thử thách đặt ra là làm sao để gương có thể khôi phục hình dạng ban đầu. Theo Le Figaro, tiến trình kéo dài 2 tuần, đầy rủi ro này quyết định thành công hay thất bại của dự án đã tiêu tốn 40 triệu giờ làm việc và gần 13 tỷ đô la, hy vọng trang bị kiến thức tốt hơn về vũ trụ. NASA đã thống kê 344 nguy cơ thất bại tiềm ẩn. Quy trình gập và mở gương đã được lặp đi lặp lại nhiều lần trên mặt đất và đây sẽ là lần đầu tiên được thực hiện trên không gian.

Khoảng 1 tháng nữa, James Webb sẽ đến một điểm cách Trái đất khoảng 1,6 triệu km, với tên gọi “ Earth-Sun L2”, hay còn gọi là điểm Lagrange thứ hai. Tại đây, lực hấp dẫn của Trái đất và Mặt trời cân bằng. Do việc sử dụng tia hồng ngoại tỏa ra một lượng nhiệt lớn xung quanh, nên cần phải có biện pháp làm mát kính thiên văn, nếu không sẽ gây cản trở cho việc quan sát. Kính James Webb cần phải được hạ xuống nhiệt độ cực lạnh : Từ -230 độ C đến -266 độ C, tùy theo thiết bị. Để đạt được điều này, cần phát triển một hệ thống bảo vệ sức nóng của Mặt trời cũng như Mặt trăng và Trái đất. Điểm Lagrange L2 cho phép James Webb quay lưng lại với tất cả các nguồn nhiệt. Mặt sau của tên lửa Ariane 5, chở James Webb, được trang bị một tấm chắn nhiệt khổng lồ, kích thước bằng một sân tennis. Khi đến nơi, vẫn cần thêm năm tháng để tia hồng ngoại của James Webb sẵn sàng bắt đầu quét vũ trụ.

Cách xa hơn một triệu km, NASA sẽ không thể cử các phi hành gia đến để nâng cấp hoặc sửa chữa kính thiên văn nếu có bất kỳ sự cố nào xảy ra. Greg Robinson, Giám đốc dự án của Webb tại NASA, cho biết, các phi hành gia đã có thể đến kiểm tra kính viễn vọng không gian Hubble trong 5 lần từ năm 1993 đến năm 2009. Nhưng lần này, đối với James Webb, điều đó rất khó thực hiện.

Dự án cũng đã phải đối mặt với nhiều tranh cãi. Reuters cho biết dự án kính thiên văn này đã vượt quá ngân sách hàng tỷ đô la và hoàn thành chậm hơn một thập kỷ so với kế hoạch. Đối với hàng nghìn nhà khoa học và kỹ sư trên khắp thế giới tham gia vào dự án, đó là một hành trình dài và vẫn còn nhiều gập ghềnh.