Dự án kính thiên văn JWST của NASA: Tham vọng kỳ vĩ, rủi ro khôn lường
Nó buộc phải vận hành thành công – vì người ta chẳng có phương án B nào khác. Chiếc kính viễn vọng James Webb Space Telescope (JWST) của NASA, dự kiến sẽ được phóng lên không gian vào năm 2014, sẽ thay thế cho kính viễn vọng không gian Hubble và sẽ là chìa khóa giải đáp cho mọi câu hỏi lớn mà các nhà thiên văn hi vọng sẽ trả lời được trong các thập kỷ tới.
“Chúng tôi nghiễm nhiên giả định rằng JWST sẽ được phóng lên và sẽ là một thành công lớn”, Michael Turner, nhà vũ trụ học từ Đại học Chicago, Illinois, đồng thời là thành viên hội đồng xây dựng 2 bản trưng cầu thập kỷ gần đây, cho biết. “Mọi mục tiêu đều được xây dựng dựa trên điều kiện này”. Vì vậy nên các nhà thiên văn có lý do để lo lắng: rủi ro sắp tới đây thật quá lớn. Thấu kính chính của JWST sẽ có đường kính dài 6,5 m, gần gấp 3 lần bán kính của Hubble, và sẽ là chiếc kính thiên văn lớn nhất từng được phóng vào không gian. Chiếc kính này sẽ được xây dựng dựa trên một loạt các công nghệ chưa từng được thử nghiệm, từ các thiết bị nhận biết ánh sáng tân tiến nhất, tới hệ thống làm mát với nhiệm vụ luôn duy trì chiếc kính dưới 50 độ Kelvin. Chiếc kính sẽ buộc phải hoạt động hoàn hảo ngay từ lần thử nghiệm đầu tiên khi đang ở cách Trái đất 1,5 triệu km – 4 lần xa hơn Mặt trăng, và nằm ngoài tầm với của bất kỳ nhiệm vụ sửa chữa nào. Nếu chẳng may JWST – được đặt tên theo nhà quản lý người từng dẫn dắt NASA thành công các nhiệm vụ Apollo – thất bại, thì sự phát triển của thiên văn học sẽ bị kéo lùi lại cả một thế hệ.
 Tương quan kích thước giữa gương của JWST và gương của Hubble |
Tới nay, quan điểm của các nhà thiên văn về JWST vẫn chưa thực sự thống nhất. Để đáp ứng chi phí chế tạo lên tới 5 tỷ USD, JWST đã ngốn hết nguồn lực có thể dành cho các dự án quan trọng khác, khiến các dự án này không thể được phát triển đúng nghĩa cho tới khi có nguồn kinh phí mới. Những nhiệm vụ như chế tạo Kính Viễn vọng Điều tra Hồng ngoại Diện rộng, được thiết kế để nghiên cứu vật chất tối trong vũ trụ– một trong số các mục tiêu ưu tiên hàng đầu được đặt ra trong bản trưng cầu thập kỷ gần đây nhất, sẽ phải trì hoãn lại cho tới khi JWST được phóng lên. “Cho tới khi đó, chúng ta sẽ không được đầu tư gì nhiều nhặn” cho các nhiệm vụ khác, nhận định từ Jon Morse, giám đốc của bộ phận vật lý thiên văn của NASA. Trong khi đó, tất cả mọi kính viễn vọng đang hoạt động hiện nay của NASA và Cơ quan Không gian Châu Âu sẽ hết tuổi hoạt động trong ít năm tới. Điều tệ hơn nữa là dự toán chi phí chế tạo JWST liên tục gia tăng. Trong năm 2009, NASA phải tăng dự toán thêm 95 triệu USD. Năm 2010, nó lại dự toán tăng thêm 20 triệu USD nữa. Và cho năm 2011, nó đòi hỏi thêm 60 triệu USD – và người ta đồn đại là chi phí thực tế sẽ còn tiếp tục tăng nhiều nữa.
Phản ứng lại những đòi hỏi liên tục tăng này đối với ngân sách, Thượng Nghị sĩ Barbara Mikulski (của Đảng Dân chủ từ bang Maryland), Chủ tịch Ủy ban phụ trách ngân sách dành cho NASA của Chính phủ, hồi tháng 6 đã yêu cầu thành lập một Ủy ban độc lập để điều tra nguyên nhân khiến chi phí chế tạo JWST liên tục tăng và tiến độ hay bị trì hoãn, nhằm tìm ra phương án giải quyết. “Chế tạo JWST là một thách thức công nghệ hấp dẫn”, Mikulski nói. “Nhưng chúng ta không được phép để vượt dự toán”.
John Casani, Chủ tịch Ủy ban điều tra theo yêu cầu của Mikulski, đồng thời là giám đốc các dự án Voyager, Galileo, và Cassini của NASA, nhấn mạnh rằng Ủy ban sẽ chỉ đưa ra các đề xuất chứ không phải quyết định. NASA sẽ đưa ra quyết định cuối cùng, và dự kiến sẽ công bố một kế hoạch chi ngân sách mới căn cứ theo các đề xuất của Ủy ban điều tra dự kiến được công bố vào 2/11. Tuy nhiên, trong việc tìm kiếm các giải pháp giải quyết những vấn đề của JWST, Casani khẳng định rằng “tất cả đều có thể được cân nhắc” – bao gồm việc đình chỉ chế tạo thiết bị, hoặc hạ chỉ tiêu chương trình.
Cơ hội cho Goldin
Khái niệm đầu tiên về một kính thiên văn thay thế cho Hubble đã bắt đầu xuất hiện từ năm 1989, khi vẫn còn cách một năm cho tới khi Hubble được phóng lên không gian. Các nhà thiên văn khi đó đã biết rằng Hubble chưa đủ khả năng nhìn xa để có thể soi chiếu lại thời kỳ “bình minh của vũ trụ”, tức là khoảng 500 triệu năm sau Big Bang, khi các vì sao đầu tiên và các thiên hà hình thành. Vì vậy, nhu cầu chế tạo một kính thiên văn dành cho thế hệ sau nhằm hoàn tất nhiệm vụ còn dang dở là điều dễ hiểu.
Vào năm 1993, NASA yêu cầu một hội đồng các nhà thiên văn, đứng đầu là Alan Dressler của đài thiên văn Carnegie Observatories tại Pasadena, California, về việc xác định rõ các yều cầu cần thiết để chế tạo một kính thiên văn như vậy. Gương của kính thiên văn mới sẽ phải đủ lớn để thu được ánh sáng mờ tối từ các thiên hà khởi nguồn đầu tiên. Vì vậy, hội đồng đã đề xuất rằng tấm gương chính phải có đường kính tối thiểu là 4 m.
Chiếc kính thiên văn cần phải được giữ lạnh, vì bất cứ nhiệt độ nào lớn hơn 50 độ Kelvin cũng sẽ khiến bức xạ hồng ngoại từ thiết bị làm xóa đi những photon yếu ớt mà các nhà thiên văn đang cần tìm kiếm. “Đây là mấu chốt khoa học cơ bản khiến người ta phải chế ra chiếc kính này”, Dressler cho biết.
 Mô hình kính thiên văn JWST bằng kích cỡ thật tại NASA |
Thêm vào đó, thiết bị cần phải được vận hành khoảng cách xa đối với Trái đất. Dưới bức xạ hồng ngoại, hành tinh của chúng ta sẽ sáng chói như một bóng đèn, gây ảnh hưởng tới tầm nhìn của thiết bị. Vì vậy hội đồng đề xuất rằng chiếc kính được đặt ở vị trí cách quỹ đạo Trái đất 1,5 triệu km, tại điểm Lagrange thứ 2 (L2), nơi lực hấp dẫn từ Mặt trời và Trái đất tạo ra trạng thái cân bằng. Các thiết bị nằm trên đường L2 cũng cần phải nằm trong bóng râm của Trái đất để có thể dễ làm mát hơn.
Tới tháng 12 năm 1995, Dressler làm báo cáo vắn tắt về các đề xuất lên giám đốc của NASA khi đó là Daniel Goldin. Goldin vô cùng quan tâm. Ông ta lúc này đang gây ảnh hưởng lên toàn bộ các chương trình của NASA nhằm xây dựng một chiến lược “nhanh hơn, tốt hơn, rẻ hơn” để thực hiện các nhiệm vụ đạt kết quả cao hơn và với chi phí thấp hơn. Lấy kinh nghiệm từ Thung lũng Silicon và các dự án không gian trước đây – trong đó các đơn vị nhỏ trong một tổ chức lớn chủ động tìm kiếm các cải cách — Goldin thúc đẩy việc thu nhỏ các thiết bị lớn, tăng các bộ phận cơ động, tăng tính trực tiếp điều hành của cơ cấu tổ chức, và liên tục thúc đẩy vươn xa các mục tiêu cho từng nhiệm vụ. Báo cáo của Dressler là cơ hội hoàn hảo để Goldin thử nghiệm phương pháp làm việc của mình.
Thay vì chế tạo một kính thiên văn có đường kính 4 m, vì sao không tạo ra một kính thiên văn có thấu kính chính với đường kính 6-8 m, Goldin đặt câu hỏi. Một số công nghệ mới có thể được tận dụng: NASA khi đó đang phát triển kính thiên văn hồng ngoại Spitzer Space Telescope với đường kính của gương là 0,85 m, làm từ beryllium, một loại kim loại đặc biệt có khả năng ăn mòn da tay ngay khi chạm vào, nhưng rất nhẹ và có thể duy trì hình dạng khi thời tiết thay đổi khắc nghiệt. Cải tiến này và các cải tiến khác sẽ cho phép chế tạo cho JWST một tấm gương khổng lồ với chi phí thấp hơn. Như Goldin từng nói trong bài diễn văn: “Hãy quên thủy tinh đi. Thủy tinh chỉ dành cho kính thiên văn trên mặt đất”.
Một số nhà thiên văn đã bày tỏ sự nghi ngại về chi phí dự kiến ban đầu của nhiệm vụ tham vọng này, khoảng 500 triệu USD tới 1 tỷ USD. Nhưng vào lúc đầu, các phương pháp và kế hoạch của Goldin có vẻ khả thi: các nhiệm vụ ban đầu theo sự chỉ đạo của Goldin đều thành công rực rỡ. Trong đó phải kể đến nhiệm vụ Mars Pathfinder năm 1997, đưa xe tự hành Sojourner lên Sao Hỏa, và nhiệm vụ Lunar Prospector năm 1998, mà gần đây giúp tìm thấy nước đá trên Mặt trăng. Tuy nhiên, tới năm 1999, NASA gặp thất bại thảm họa với kính thiên văn Wide-Field Infrared Explorer, và thất bại với các nhiệm vụ Mars Climate Orbiter và Mars Polar Lander. Những thất bại này làm giảm uy tín của NASA và nhắc nhở mọi người rằng “nhanh hơn, tốt hơn, rẻ hơn” cũng đồng nghĩa với rủi ro cao hơn. Tới 2001, năm cuối nhiệm kỳ của Goldin, NASA đã bắt đầu trở về chiến lược phát triển truyền thống, ít rủi ro, chi phí rất cao với vô vàn các thử nghiệm và đánh giá.
Sự thay đổi chiến lược này khiến chi phí chế tạo JWST vượt xa con số 1 tỷ USD. Đường kính của gương đã phải giảm từ 8 m xuống 6,5 m để giảm chi phí. Đồng thời, trong khi NASA triển khai nhiều nghiên cứu tìm cách khắc phục hạn chế kỹ thuật do việc cắt giảm này và các nghiên cứu tìm cách làm tăng độ bền vững trong thiết kế của chiếc kính, một yếu tố tiêu cực mới xuất hiện: có quá nhiều quan điểm khoa học đổ dồn vào nhau.
Điều này xảy ra đối với mọi nhiệm vụ quan trọng, nhận xét từ Peter Stockman, cựu trưởng văn phòng của nhiệm vụ JWST tại Viện Khoa học Kính Thiên văn ở Baltimore, tại Maryland. “Mọi người đều muốn tham gia như thể đây là cơ hội đóng góp cuối cùng trong đời làm khoa học của mình”. Vậy nên trong giai đoạn thập kỷ 1990, khi thiết kế trong quá trình hoàn thiện, dự kiến ngân sách của NASA phải dành cho dự án cứ tăng đều đặn vài phần trăm một năm.
Ngân sách quá tải
Với mỗi thay đổi trong thiết kế JWST, mục tiêu khoa học của nó lại mở rộng thêm. Thiết kế cơ bản của nó sẽ bao gồm một camera hồng ngoại quay diện rộng (NIRCam); máy ghi phổ cận hồng ngoại đa đối tượng (multi-object near-infrared spectrograph – NIRSpec) chủ yếu để khám phá các vì sao và thiên hà cổ xưa nhất; một camera đa năng hồng ngoại tầm trung và một máy ghi phổ nhằm quan sát các đối tượng bị bụi che trong Dải Ngân hà; và một cảm biến định hướng cùng màng lọc điều chỉnh được để hỗ trợ ba thiết bị kia.
Những thiết bị này đòi hỏi chi phí cao, và cần dùng những công nghệ chưa được chứng minh. Các thiết bị này cần đến các công cụ dò hồng ngoại lớn ngoại cỡ, có độ ổn định rất cao. Một lớp màng chống nắng dày 5 lớp cần phải được bọc xung quanh thiết bị trước khi được phóng lên, sau đó sẽ giúp làm lạnh cho thiết bị. Khi trải ra, mỗi lớp màng rộng tương đương một sân tennis. Chiếc gương cơ bản, hiện quá lớn để gá vào tên lửa, sẽ phải được ghép vào từ 18 miếng 6 cạnh có thể điều chỉnh được, và cũng sẽ được mở ra tại quỹ đạo. Mỗi miếng đều được chế tạo chính xác tỉ mỉ từ beryllium, sau đó được tráng vàng và đánh bóng. Một chuỗi các thiết bị điện cơ gọi là microshutter sẽ cho phép máy NIRSpec ghi phổ của 100 đối tượng cùng một lúc, cho dù đó có thể là các đối tượng rất mờ và nằm ngay cạnh một ngôi sao khác sáng hơn. Mỗi thiết bị microshutter có độ dày chỉ bằng vài sợi tóc người, và NIRSpec sẽ cần đến hơn 62.000 thiết bị như vậy.
 Các cấu phần được thiết kế để JWST đáp ứng được nhiều mục tiêu |
Bên cạnh đó, mọi mảnh linh kiện trong thiết bị đều phải được chế tạo sao cho chịu được lực rung rất mạnh từ đợt phóng lên không trung, tồn tại được trong chân không, và chịu được quá trình hạ nhiệt độ xuống cực lạnh. Bề mặt quang học của chiếc kính thiên văn sẽ phải tồn tại trong suốt hành trình, và vẫn phải gắn chặt cố định chính xác tới hàng nanomet. Tất cả mọi thứ sẽ phải vận hành hoàn hảo trong tối thiểu là 5 năm, kịch bản cơ bản của nhiệm vụ.
Kỳ quan mới này của NASA tiêu tốn tới gần 2 tỷ USD chỉ mới trong giai đoạn phát triển công nghệ ban đầu. Tuy nhiên, cơ quan đã không cắt giảm quá nhiều các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm giảm chi phí. Thay vào đó, NASA tìm các đối tác, kêu gọi đóng góp từ các cơ quan không gian của châu Âu và Canada. NASA cũng tối đa hóa sự ủng hộ từ Quốc hội Mỹ bằng cách giao thầu hợp đồng sản xuất các cấu phần thiết bị cho những công ty và trường học rải rác khắp các hạt cử tri. Tập đoàn không gian khổng lồ Northrop Grumman của Los Angeles, bang California, trở thành nhà thầu lớn nhất của JWST dưới giám sát của Trung tâm Goddard Space Flight Center thuộc NASA tại Greenbelt, Maryland, nơi quản lý toàn bộ dự án.
Tới khi JWST được thông qua thiết kế cơ sở vào mùa xuân năm 2008, và NASA chính thức cam kết đầu tư chế tạo, dự án đã được chuyển từ mô hình “nhanh hơn, tốt hơn, rẻ hơn” ban đầu thành một dự án khổng lồ quy mô vài tỷ USD, có nhiều thiết bị cấu phần tham gia của nhiều tổ chức, quốc gia, và lục địa.
Vượt qua kỳ thẩm định
Từ gần một năm nay, mô hình cơ khí các cấu phần của JWST nằm trong các thử nghiệm kiểm tra tại tòa nhà 29, trung tâm Goddard. Dự kiến tới mùa xuân và hè 2011, các mảnh tàu vũ trụ cũng sẽ được nhập vào các phòng thử nghiệm này. Tới nay tất cả mọi công nghệ mới mẻ nhất liên quan tới JWST đều đã vượt qua được kỳ thẩm định và dự kiến sẽ sẵn sàng cho đợt phóng năm 2014.
Thử thách đáng kể nhất trước đợt phóng là việc gắn kết và thẩm định các cấu phần của thiết bị nhằm đảm bảo chúng hoạt động được trong một thể thống nhất – và tất nhiên là làm sao để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật mà không để vượt dự toán chi phí còn lại. Phương châm truyền thống của NASA là “hãy thẩm định như thể chính bạn đang bay cùng thiết bị” – nhằm đảm bảo con tàu và các thiết bị được thử nghiệm trong môi trường gần gũi nhất với điều kiện thật ngoài không gian. Vấn đề là một khi lắp ghép đầy đủ, chiếc kính thiên văn sẽ quá lớn để có thể đưa lọt vào bất kỳ lồng chân không hiện có nào. Cũng tương tự như việc đáp ứng JWST đòi hỏi phát triển các công nghệ mới, các nhà hoạch định dự án cũng phải xây dựng ra những quy trình thẩm định hoàn toàn mới.
“Đối với JWST chúng tôi phải xây dựng từng bước mô hình hóa, chế tạo, và thử nghiệm, kiểm tra đánh giá mô hình ở từng bước và chuyển tiếp lên bước lắp đặt cao hơn”, Phil Sabelhaus, trưởng dự án JWST tại Goddard cho biết. “Chúng tôi không chỉ kiểm tra – chúng tôi còn phải chứng minh khả năng lập mô hình chính xác, để đảm bảo là chúng tôi luôn đánh giá rõ sự vận hành của JWST trên quỹ đạo”. Quy trình lắp đặt, kiểm tra, mô hình hóa này đòi hỏi nhiều công sức và thời gian, như là chúng tôi đang chế tạo vài chiếc kính thiên văn cùng một lúc, và đây chính là nguyên nhân chính gây tăng chi phí cho phần việc còn lại của dự án JWST. Vậy nên, dễ thấy rằng đây cũng là đối tượng được người ta xem xét điều chỉnh để giảm chi phí.
 Những chiếc gương của JWST phải vượt qua kỳ kiểm định khả năng hoạt động trong điều kiện cực lạnh, tới dưới -248 độ C |
“Có những cuộc thử nghiệm thực sự cần phải tiến hành, và có những cuộc thử nghiệm nếu làm thì sẽ tốt hơn”, Dressler nói. “Với những dự án quy mô thế này, người ta có xu hướng kiểm tra lại 1 lần hoặc 2 lần, và có thể chúng ta không có đủ kinh phí để làm như vậy.” Mặt khác, ông nói, cũng có thể chúng ta không thể mạo hiểm mà không làm như vậy: chính một quyết định được đưa ra nhằm cắt giảm chi phí thử nghiệm đã cho phép tồn tại một sai lệch trên tấm gương chính của Hubble, chỉ được phát hiện ra khi thiết bị đã ở trên quỹ đạo, và suýt nữa đã làm phá sản toàn bộ dự án.
Những người ủng hộ dự án JWST cảm thấy chấp nhận được đối với việc chi cho dự án có thể sẽ tiếp tục phải vượt dự toán, vì cho dù như vậy thì đây vẫn sẽ là dự án chế tạo kính thiên văn hiệu quả nhất trong lịch sử. “Chưa tính đến bốn chuyến bay bảo trì sửa chữa cho Hubble thì chi phí chế tạo và phóng Hubble vào không gian đã vào khoảng 4-5 tỷ USD tính theo giá trị đồng tiền hiện nay”, Dressler lưu ý. “Nay chúng ta chế tạo một kính thiên văn mới lớn hơn thế gần 7 lần, hoạt động trong điều kiện cực lạnh, vận hành cách xa 1,5 triệu km, vậy mà chi phí chỉ xấp xỉ Hubble nếu không nói là ít hơn. Điều này thật đáng kể, và đây có lẽ là dự án làm kính thiên văn có quy mô lớn nhất mà chúng ta dám cân nhắc tiến hành ở đất nước này.”
Cho dù như vậy, những quan điểm bất đồng vẫn tồn tại xung quanh JWST. Thất bại là điều không thể chấp nhận được, đối với NASA cũng như với giới thiên văn. Tuy nhiên, trong bối cảnh ngân sách không tăng hay thậm chí đang bị cắt giảm, các nhiệm vụ vật lý thiên văn khác đang tới kỳ mãn hạn, và công chúng ngày càng bất mãn, cho rằng Chính phủ đang không kiểm soát nổi chi ngân sách, thì những câu hỏi thách đố là không tránh khỏi. Trong một cuộc họp trung tuần tháng 9 của Ủy ban vật lý thiên văn ở NASA, các nỗ lực nhằm xác định chính xác số tiền cần phải tiêu từ này tới lúc JWST tới đích tại L2 không đưa đến kết quả nào khác ngoài sự im lặng. Cho tới khi Ủy ban này được nghe công bố về ngân sách và lịch trình mới, có lẽ sẽ chẳng ai nhận được câu trả lời nào tốt hơn.
(Lee Billings, Nature News)
