Kính James Webb phô trương sức mạnh gì?

Sau 25 năm, dự án Kính viễn vọng Không gian James Webb (James Webb Space Telescope, hay JWST) cuối cùng cũng gặt hái được những thành quả đầu tiên, chính là loạt ảnh được công bố vào ngày 11 và 12/7 vừa qua. Vậy những bức ảnh này đặc biệt ở chỗ nào, và chúng tiết lộ được những điều gì về tiềm năng của JWST?

Ảnh 1: Bộ ngũ Stephan

Ảnh Bộ ngũ Stephan (Stephan’s Quintet) bao phủ khoảng không lớn nhất trong loạt ảnh vừa qua, và theo trang web của JWST thì khoảng không này tương đương với 1/5 đường kính Mặt trăng. Bức ảnh mà chúng ta thấy ở Hình 1 là một ảnh phức hợp (composite image), được chắp vá lại bằng gần 1,000 file ảnh khác nhau mà hai thiết bị riêng biệt của JWST là Máy ảnh Cận hồng ngoại (NIRCam) và Thiết bị Giữa hồng ngoại (MIRI) chụp được.

Nhìn tên hai thiết bị nêu trên, có thể thấy ngay rằng chúng đảm nhiệm hai vùng sóng khác biệt, và chính nhờ sự riêng biệt ấy mà khi ra ảnh phức hợp, nhiều chi tiết khác nhau mới hiện ra trên cùng một khung hình. Ví dụ, có thể thấy rõ các đuôi thủy triều (tidal tail) nơi khí, bụi và sao đang bị kéo ra xa khỏi thiên hà chủ khi thiên hà chủ này tương tác trọng lực với các thiên hà lân cận. Ở thiên hà trên cùng có tên gọi là NGC 7319, đuôi thủy triều còn lấm tấm đỏ, biểu thị các khối bụi khổng lồ – bằng chứng cho quá trình hình thành sao đang diễn ra. Quá trình hình thành sao ở các đuôi thủy triều như vậy đến nay vẫn còn chưa được hiểu rõ; theo một số tác giả như nhóm của Michael Rodruck (2016), quá trình này xảy ra khi khí và bụi bị kéo khỏi thiên hà chủ rồi tụ lại một cách ngẫu nhiên thành các khối khí bụi đủ dày đặc để kích thích sự suy sụp trọng lực (gravitational collapse) và tạo thành các ngôi sao.

Một điều thú vị nữa về ảnh Bộ ngũ Stephan là cũng tại thiên hà NGC 7319, phần trung tâm chói sáng còn thể hiện một “nhân thiên hà hoạt động” (active galactic nucleus). Một nhân thiên hà hoạt động chính là một hố đen siêu khối lượng, hút khí bụi quanh mình và phóng trở lại vũ trụ dưới dạng những luồng khí sáng rực rỡ. Nhân thiên hà hoạt động của NGC 7319 đã được phát hiện từ ít nhất là 2005 bởi nhóm C. Kevin Xu, nhưng vì vùng nhân này luôn luôn bị bụi bao phủ, phải cần một chiếc kính quan sát ở vùng sóng hồng ngoại để nhìn xuyên qua chỗ bụi này. Và kể từ đây, JWST sẽ đảm nhiệm vai trò đó.

Ảnh 2: Tinh vân Chiếc nhẫn phương Nam

Tương tự như Bộ ngũ Stephan, Tinh vân Chiếc nhẫn phương Nam (Southern Ring Nebula) cũng được chụp bằng NIRCam và MIRI, song hai thiết bị này cho ra hai bức ảnh khác nhau đến mức các nhà thiên văn không thể dồn chúng vào một ảnh phức hợp. Trong ảnh của NIRCam (Hình 2, bên trái), chỉ thấy rõ một ngôi sao ở trung tâm tinh vân, nhưng trong ảnh của MIRI (Hình 2, bên phải) thì lại có đến hai ngôi sao ở vị trí này. Trên thực tế, Tinh vân Chiếc nhẫn phương Nam có hai ngôi sao ở trung tâm, và ngôi sao mà chúng ta chỉ thấy rõ qua thiết bị MIRI chính là cội nguồn của cả tinh vân nói chung. Ngôi sao thoắt ẩn thoắt hiện này là một sao lùn trắng (white dwarf), tương đương với cái xác còn thừa sau khi một ngôi sao thông thường ngừng sản sinh năng lượng qua quá trình tổng hợp hạt nhân. Khi một ngôi sao trở thành sao lùn trắng, các lớp ngoài cùng của nó bị phóng ra ngoài, tạo thành chính những quầng mây mà chúng ta thấy ở xung quanh. Vì được phóng ra từ một ngôi sao dạng cầu, các quầng mây này cũng sẽ có dạng cầu khi được quan sát từ Trái đất, khiến các nhà thiên văn ở cuối thế kỷ XVIII tưởng rằng chúng là các hành tinh, dẫn đến tên gọi chung là “tinh vân hành tinh” (planetary nebula).

Trường hợp của Tinh vân Chiếc nhẫn phương Nam – trong đó một tinh vân hành tinh có chứa một hệ sao đôi (binary star) ở trung tâm – thực chất rất hiếm gặp. Dù các nhà thiên văn học đến nay đã tìm được ít nhất là 3,000 tinh vân hành tinh trong Dải Ngân hà, theo thống kê của Aller và cộng sự (2020), chỉ có chưa đến 60 tinh vân trong số đó chứa sao đôi. Không những vậy, để quan sát trọn vẹn được một hệ sao đôi trong mỗi tinh vân như vậy cũng là một khó khăn lớn. Tương tự như nhân thiên hà hoạt động của NGC 7319, những ngôi sao lùn trắng có thể được bao bọc bởi các lớp bụi dày mà chỉ một khoảng sóng nhất định trong vùng hồng ngoại mới có thể đâm xuyên qua.

Ảnh 3: Ngoại hành tinh WASP-96 b

Khác với các bức ảnh khác được công bố vào ngày 11 và 12/7, bức ảnh chụp ngoại hành tinh (exoplanet) WASP-96 b cách Trái đất khoảng 1,150 năm ánh sáng thực chất chỉ là ảnh quang phổ của bầu khí quyển hành tinh này, nghĩa là đối với cánh truyền thông, bức ảnh này chỉ là một biểu đồ không có gì đặc sắc. Tuy nhiên, đối với những người nghiên cứu ngoại hành tinh, chính biểu đồ này lại có tính cách mạng.

Trước tiên, phải thảo luận xem quang phổ này đã được đo đạc thế nào. Khác với hai thiết bị NIRCam và MIRI, chiếc Máy ghi phổ không khe và Máy chụp ảnh Cận hồng ngoại (NIRISS) chịu trách nhiệm cho quang phổ này được đóng góp bởi Cơ quan Vũ trụ Canada. NIRISS lấy quang phổ của ngoại hành tinh WASP-96 b bằng cách quan sát hành tinh này khi nó đi qua giữa ngôi sao chủ và tầm nhìn của NIRISS. Một khi hiện tượng này xảy ra, ánh sáng từ sao chủ sẽ đâm xuyên qua bầu khí quyển của hành tinh rồi mới được NIRISS tiếp nhận, nghĩa là bất kỳ chất khí nào hiện diện trong khí quyển của WASP-96 b cũng có thể hấp thụ một phần các tia sáng từ sao chủ và để lại những vạch đặc trưng trên quang phổ mà NIRISS thu được từ các tia sáng đó.

Trên quang phổ công bố ngày 12/7, có đến 141 điểm dữ liệu riêng biệt, và theo trang web của kính James Webb, để phân tích được toàn bộ các điểm dữ liệu này cũng cần thêm nhiều thời gian. Tuy nhiên, một điều dễ nhận thấy ở quang phổ ngay vào lúc này chính là các đỉnh (peak) thể hiện các vùng quang phổ nơi một số loại phân tử cụ thể dao động. Tính đến ngày 12/7, bốn đỉnh trong số đó đã được xác định là dấu hiệu của hơi nước, và bởi các đỉnh này thấp hơn so với dự đoán dựa trên các quan sát từ trước, rất có thể là bầu khí quyển của WASP-19 b chứa các đám mây làm “thui chột” các dấu hiệu mà đáng ra sẽ rất nổi bật của lượng hơi nước trên hành tinh này. Nói cách khác, sự “khiêm tốn” của các đỉnh hơi nước còn gợi đến nhiều phát hiện thú vị khác về WASP-19 b, khiến cho bức ảnh được trang web của JWST mệnh danh là “quang phổ truyền xạ của một ngoại hành tinh ở vùng sóng hồng ngoại có độ chi tiết cao nhất mà con người từng thu được” (most detailed infrared exoplanet transmission spectrum ever collected). Chỉ bằng một quang phổ giản đơn như vậy, nhóm nghiên cứu ngoại hành tinh trong dự án JWST cũng đã ước tính được nhiệt độ khí quyển của WASP-19 b vào khoảng 725°C.

Ảnh 4: Vách đá Vũ trụ trong Tinh vân Thuyền Để

Bức ảnh thứ tư (Hình 3) được công bố miêu tả phần rìa được mệnh danh là “Vách đá Vũ trụ” thuộc Tinh vân Thuyền để (Carina Nebula), một đám mây phân tử khổng lồ (giant molecular cloud) nằm cách Trái đất 7,600 năm ánh sáng. Bên trong Tinh vân Thuyền để, quá trình hình thành sao đang diễn ra mãnh liệt; một thống kê của Leisa K. Townsley và cộng sự (2011) dựa trên dữ liệu từ Đài quan sát tia X Chandra đã kết luận rằng tinh vân này hiện đang chứa ít nhất 14,000 ngôi sao. Đối mặt với bức xạ năng lượng cao từ hàng ngàn ngôi sao ở độ tuổi “ngựa non háu đá” như thế, các lớp mây ngoài cùng của tinh vân đang bị thổi bay đi, tạo thành hình thái lởm chởm trong bức ảnh chụp bởi JWST. Ngoài ra, ở trên đỉnh của phần “vách đá”, có thể thấy những “cột hơi nước” mà thực chất cũng chính là sản phẩm của lượng bức xạ năng lượng cao nói trên. Cụ thể hơn, do các tia cực tím mà các ngôi sao “trẻ trâu” phát ra, một lượng khí của tinh vân bị nung nóng và ion hóa, rồi bắn ra ngoài thành cột như vậy.

JWST đã chụp được hình ảnh chi tiết của một vườn ươm sao trong giai đoạn rất hiếm gặp: khi tinh vân vẫn còn dày, các ngôi sao vẫn còn trẻ, song các chu trình bức xạ từ các ngôi sao đã diễn ra đủ mạnh để báo hiệu ngày tàn của tinh vân. Không những vậy, nếu như kính Hubble chỉ chụp được hình dáng bên ngoài của “vách đá”, JWST đã nhìn được xuyên qua lớp khí bụi và nhận dạng được cả những ngôi sao ẩn mình trong đó. Trong bài viết đăng tải trên trang esa.int ngay sau khi bức ảnh này được công bố, Cơ quan Vũ trụ châu Âu – một trong các đối tác của NASA trong dự án JWST – đã kết luận như sau: “Đến thời điểm này, các nhà khoa học mới chỉ thu thập được rất ít dữ liệu về ảnh hưởng của vô số ngôi sao trẻ, khối lượng nhỏ và đầy năng lượng [trong tinh vân này]. Với kính Webb, họ sẽ có thể thực hiện một cuộc tổng điều tra quân số của chúng, cùng với tác động của chúng đối với cả tinh vân”.

Cuối cùng, chúng ta phải đề cập đến bức ảnh có tựa đề “Vùng sâu đầu tiên của Webb” (Hình 4), được Tổng thống Mỹ Joe Biden công bố vào chiều 11/7 giờ địa phương. Bức ảnh lấy trọng tâm là quần tụ thiên hà SMACS 0723 nằm cách Trái đất 4.6 tỉ năm ánh sáng, nghĩa là tia sáng mà JWST tóm được đã rời khỏi SMACS 0723 khi tuổi vũ trụ mới chỉ bằng 66.6% tuổi ngày nay.

Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là bức ảnh chỉ chụp được quá khứ xa đến vậy. Do quần tụ SMACS 0723 quá nặng, tổng khối lượng của chúng trở thành một thấu kính hấp dẫn (gravitational lens), bẻ cong ánh sáng của các thiên hà ở xa hơn – hay nói theo cách khác là các thiên hà cổ xưa hơn. Hậu quả là hình ảnh của các thiên hà cổ xưa này bị phóng đại, cho phép người xem nhận thấy rằng chúng chẳng có dạng xoắn ốc (spiral), cũng chẳng có dạng bầu dục (elliptical) như các thiên hà khác ở bên ngoài thấu kính hấp dẫn. Thay vào đó, chúng giống như các “cục” ánh sáng với hình dạng không thể xếp được vào một thể loại đồng nhất. Theo Cơ quan Vũ trụ châu Âu: “Điều này có thể dẫn đến các mô hình chính xác hơn dành cho các thiên hà tồn tại ở thời kỳ ‘mùa xuân’ của vũ trụ, khi thiên hà mới chỉ đang ‘nhú mầm’ rồi tích cực tương tác và sáp nhập vào với nhau, chứ chưa phát triển thành các hình xoắn ốc lớn hơn. Cuối cùng, các quan sát sắp tới của kính Webb sẽ giúp các nhà thiên văn học hiểu được rõ hơn cách các thiên hà hình thành và phát triển ở vũ trụ thuở hồng hoang”.

Tổng kết: Hôm nay và ngày mai

Tận từ năm 2009, dự án JWST đã đưa ra bốn “chủ đề khoa học” (science theme) chính để chiếc kính quan sát và nghiên cứu là: vũ trụ thuở sơ khai, thiên hà theo thời gian, vòng đời sao, và các hành tinh khác. Thông qua năm bức ảnh đầu tiên được công bố, thật dễ thấy rằng JWST đã chứng minh được vai trò của mình như một trợ thủ đắc lực mới trong cuộc khám khá bốn chủ đề nêu trên. Với nhiều kỳ vọng và kế hoạch cho tương lai của các cơ quan hàng không vũ trụ, bao gồm cả chiếc Kính viễn vọng Không gian Nancy Grace Roman dự tính sẽ phóng muộn nhất vào tháng 5/2027, nhân loại đang bước vào một kỷ nguyên thiên văn học mới, khi mà những sự vật, hiện tượng tưởng chừng như quá xa xưa hay quá bé nhỏ để lọt vào tầm mắt cũng sẽ có cơ may được xem xét, lý giải và vận dụng để đúc kết thành hiểu biết sâu rộng về không gian rộng lớn ngoài kia.□

—

Tài liệu tham khảo

Aller, A. et al (2020), “Planetary nebulae seen with TESS: Discovery of new binary central star candidates from Cycle 1”, Astronomy & Astrophysics 635, A128.

Rodruck, M. et al (2016), “A tale of two tails: exploring stellar populations in the tidal tails of NGC 3256”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 461(1), pp. 36-50.

Townsley, L.K. et al (2011), “The Chandra Carina Complex Project: Deciphering the enigma of Carina’s diffuse X-ray emission”, The Astrophysical Journal Supplement Series 194(1), pp. 15-23.