James Webb – Cỗ máy thời gian ở kỷ nguyên không gian mới
Mỗi khi nhìn lên bầu trời, con người ta có tự hỏi rằng khoảng không bao la trên kia rộng đến nhường nào? Trên thực tế, vũ trụ chúng ta to lớn đến nỗi mà ánh sáng - thứ di chuyển nhanh nhất cho đến nay mà con người biết được - với tốc độ xấp xỉ 3 trăm triệu mét trên giây, có khi phải mất hàng tỷ năm mới đến được mắt chúng ta. Vũ trụ rộng bao la dường như là một rào cản, ngăn bất kỳ cuộc khám phá xa hơn nào của loài người. Nhưng cũng bởi sự rộng lớn và đa dạng đó, bản thân nó lại là một cỗ máy thời gian nếu chúng ta có được công cụ đủ mạnh để quan sát thật sâu, không bỏ sót dù là những ánh sáng yếu ớt nhất, giúp cho người có thể nhìn ngược vào thời gian, tiệm cận thời điểm khai sinh vũ trụ cách đây hơn 13 tỷ năm trước. Kính Viễn vọng Không gian James Webb (JWST) lấy theo tên vị lãnh đạo đời thứ nhì của NASA, đóng góp vai trò khổng lồ trong công cuộc đưa con người vào không gian sớm từ những sứ mệnh Mercury hay Gemini. Sinh ra để đáp ứng được nhu cầu tìm tòi này của con người, nhưng JWST được đẩy lên một tầm cao mới, xa hơn và tham vọng hơn rất nhiều. Chiếc kính không gian đồ sộ này đã được phóng đi vào đúng dịp Giáng sinh vừa qua như một món quà đặc biệt cho nhân loại sau nhiều năm trì hoãn để đạt đến độ hoàn thiện chưa từng có như hiện nay. JWST là sản phẩm ấn tượng của sự hợp tác quốc tế giữa NASA, Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) và Cơ quan Vũ trụ Canada (CSA), cùng với sự tham gia của hơn 300 trường đại học, tổ chức và công ty trên 29 tiểu bang Hoa Kỳ, và 14 quốc gia khác. Kính sẽ tập trung vào bốn mục tiêu chính: thu thập những tia sáng đầu tiên, hình thành nên thiên hà trong vũ trụ sơ khai, sự ra đời của các ngôi sao và hệ tiền hành tinh, và các hành tinh, bao gồm cả nguồn gốc của sự sống.
Kính viễn vọng không gian Hubble bay trên ranh giới của Trái đất và vũ trụ được chụp sau lần nâng cấp, sửa chữa thứ hai vào năm 1997. Ảnh: NASA
Đài thiên văn từ ngoài không gian
Ý tưởng về một chiếc kính thiên văn không gian không phải là mới, từ thế kỷ 19, các nhà khoa học đã mơ một đài quan sát thiên văn nằm trên Mặt trăng. Khác với trên mặt đất, khoảng không bất tận bên ngoài địa cầu hoàn toàn không bị cản trở bởi thời tiết, hay ô nhiễm không khí. Những ngôi sao lấp lánh trên bầu trời đêm kia luôn là chủ đề bất tận cho thi ca cũng như trí tưởng tượng bay bổng của con người, nhưng đối với những chiếc kính thiên văn đủ mạnh, đó lại là cơn ác mộng. Sự lấp lánh của ngôi sao khi nhìn từ mặt đất thực chất do sự nhiễu loạn khí quyển trên cao và nó khiến cho hình ảnh thu được ở cảm biến ảnh kém đi sự chính xác.
Nhà vật lý lý thuyết Lyman Spitzer người Mỹ từng đề xuất về ý tưởng một chiếc kính thiên văn có thể bay quanh quỹ đạo Trái đất mà không bị cản trở bởi khí quyển vào 1946 (sau này ông được đặt tên cho một kính thiên văn vô tuyến khác nhằm tưởng nhớ công lao). Nhưng mãi đến cuối thập niên 60, chúng ta mới có những chiếc kính không gian đầu tiên được đưa vào không gian đó là Đài quan sát Thiên văn Quỹ đạo (Orbiting Astronomical Observatory) của Mỹ. Liên Xô cũng bắt đầu nghiêm túc hóa ý tưởng bằng việc đưa một chiếc kính thiên văn lên để sát tại trạm vũ trụ Salyut 1 của riêng mình vào 1971.
Bắt đầu từ 1970, dự án Kính Viễn vọng Không gian Hubble (HST), dự án kính thiên văn không gian đồ sộ nhất của thế kỷ 20, lần đầu được cấp kinh phí và trực tiếp thực hiện bởi NASA cùng với ESA, với mục tiêu phóng vào năm 1983, tuy nhiên dự án liên tục bị trì hoãn do các vấn đề về kỹ thuật cũng như kinh phí bị đội lên nhiều lần, đặc biệt sau thảm họa Challenger – tên lửa phóng phát nổ khiến cho chín phi hành gia vong mạng. Cuối cùng, HST được phóng vào 1990, tuy nhiên gương chính không được lắp đặt chính xác gây ra hiện tượng quang sai, khiến cho ảnh thu được bị mờ nhòe. Ba năm sau, NASA mới có thể khắc phục được điều này, gỡ gạc lại danh tiếng qua những bức ảnh sâu trong vũ trụ của HST đáng kinh ngạc như ngày nay.
“Sửa sai vượt bậc”
Những kết quả ê chề của Hubble trong năm đầu mới phóng thôi thúc NASA sửa sai bằng một thiết bị mới hơn, hiệu quả hơn, góp phần lớn vào sự ra đời của JWST. Những bức ảnh đầu tiên của HST cho ra mờ đục do hệ quả của việc lắp sai kính, nhưng bản thân thiết bị lại không thể tự hiệu chỉnh, dẫn đến việc NASA phải cắt cử phi hành gia trong một sứ mệnh riêng biệt vào năm 1993 để bay lên sửa chữa và thay thế gương. Thậm chí, nó từng là một chủ đề bị chế giễu trong suốt hàng năm liền.
Phi hành gia Gregory J.Harbaugh đang làm việc trên Kính viễn vọng không gian Hubble trong nhiệm vụ nâng cấp nó vào năm 1997. Ảnh: NASA
Với JWST trị giá lên tới 9,8 tỷ USD (bằng ¼ ngân sách trong suốt một năm của NASA) và phóng đến vị trí cách Trái đất 1,5 triệu km, gấp hàng vạn lần so với HST chỉ quay quanh quỹ đạo tầm thấp của Trái đất khoảng 500km (LEO), việc thay thế và sửa thủ công như trước kia là điều không thể. Đây có thể coi là chuyến tàu một chiều, và sự chuẩn bị phải thật sự hoàn hảo đến mức chỉ cần sai sót nhỏ nhất, ví dụ như trên bề mặt cong của gương chính chỉ khoảng 1μm sai khác (bằng kích thước của một sợi tóc) có thể dẫn đến hội tụ sai và nhòe ảnh, khiến cho sứ mệnh tiêu tùng vào không gian mãi mãi.
JWST gồm có hai phần chính: phần gương mạ vàng khổng lồ cùng với cánh tay chứa cảm biến hội tụ, và phần khiên che chắn nhiệt nhiều lớp cùng với các thiết bị nằm bên dưới. Trên thực tế, JWST to hơn bất cứ tàu không gian nào con người từng phóng, to đến mức không thể nào đặt vừa vặn vào phần chuyên chở của tên lửa phóng Arian 5, thiết kế gấp gọn rồi mở ra, triển khai tự động là một đột phá chưa từng có trong công nghệ giúp giải quyết được nhiều vấn đề tồn đọng trong quá khứ như khả năng tự cân chỉnh chính nó, nhưng cũng đặt ra thách thức về tính chính xác không tưởng của các thiết bị này. JWST mang theo những thiết bị mạnh mẽ bậc nhất được kỳ vọng sẽ cho ra những bức ảnh tuyệt đẹp về đối tượng thiên văn sâu trong vũ trụ giống như tiền nhiệm HST của nó. May mắn thay, HST vẫn trong tình trạng tốt và có khả năng cả hai kính thiên văn này sẽ hoạt động cùng nhau trong những năm đầu tiên sau khi JWST được phóng. Kính cũng sẽ khảo sát kỹ hơn các ngoại hành tinh mà Kính Viễn vọng Không gian Kepler tìm thấy hoặc kết hợp theo dõi cùng các quan sát thời gian thực từ những kính viễn vọng mặt đất.
Công nghệ bước ra từ khoa học viễn tưởng
Với gương chính mạnh mẽ gấp 100 lần kính Hubble và nhẹ hơn 113kg, James Webb có khả năng nhìn xa hơn bất kỳ thiết bị tiền nhiệm nào, tiệm cận đến cột mốc “khởi sinh” của vũ trụ sơ khai cách đây 13,8 tỷ năm về trước. Ngay sau Big Bang, vật chất trong vũ trụ ở một trạng thái vô cùng đặc và nóng, đến mức các hạt hạ nguyên tử mất hàng trăm triệu năm mới có thể liên kết lại, và rồi hình thành nên các thiên thể. Kính James Webb chính là cỗ máy thời gian, đưa con người đến giai đoạn những ngôi sao và thiên hà đầu tiên được khai sinh.
Minh họa Kính viễn vọng không gian James Webb ngoài không gian. Ảnh: esa.int
Để có thể nhìn về mốc thời gian đó, James Webb cần có khả năng thu nhận tín hiệu yếu đến từ những vật thể xa xôi, đã vượt qua những đám mây khí bụi và bị dịch chuyển về phía bước sóng đỏ do sự giãn nở của vũ trụ. Khi đến được Trái đất, ánh sáng thuở sơ khai sẽ ở bước sóng hồng ngoại, và chỉ có sóng hồng ngoại thì mới có thể đi xuyên qua các đám mây bụi khí.
Độ nhạy cảm của cảm biến ảnh lắp trên kính tỷ lệ thuận với lượng ánh sáng mà nó thu được. Với 18 mảnh kính lục giác, mỗi mảnh có đường kính 1.32m. Thiết kế tổ ong giúp JWST không chỉ có thể gấp lại trong quá trình vận chuyển lên quỹ đạo, mà thông qua các module cơ học tinh vi ngay trên từng miếng “kính” 6 cạnh, các mảnh kính sẽ được hiệu chuẩn tiêu cự/độ hội tụ với độ chính xác một phần mười nghìn độ dày sợi tóc người tự động hoàn toàn tự động bằng máy tính, tập trung ánh sáng vào gương phụ. Ánh sáng tiếp tục bị phản xạ vào thiết bị lọc rồi đến các cảm biến có độ nhạy cao, nơi photon được chuyển hóa thành dòng điện.
Máy ảnh cận hồng ngoại (NIRCam) là bộ tạo ảnh chính của JWST với tổng cộng 10 cảm biến ở hai module, hoạt động ở bước sóng 0.6 đến 5.0 micro-mét. Ngoài ra, NIRCAM còn được trang bị Coronagraph – dụng cụ che phần trong Mặt trời để quan sát vành nhật hoa. Khi được áp dụng, dụng cụ này cho phép quan sát các ngôi sao và thiên hà sáng mờ, thậm chí các ngoại hành tinh nếu góc tạo mặt phẳng quỹ đạo của chúng và hướng quan sát của kính đủ lớn.
Hoạt động ở cùng băng tần với máy ảnh chính là NIRSpec – quang phổ kế vùng hồng ngoại gần. Việc phân tích phổ của các thiên thể sẽ cung cấp thông tin quý báu về khối lượng, nhiệt độ và thành phần các nguyên tố hóa học cấu thành của chúng. NIRSpec giúp rút gọn tổng thời giờ quan sát của vệ tinh bằng hệ thống Microshutter Array. Với 250000 màn trập siêu nhỏ (mỗi ô có độ dày tương đương độ dày sợi tóc người), NIRSpec sẽ quan sát cùng lúc quang phổ của 100 vật thể khác nhau, mỗi vật có thể cần đến hàng trăm giờ đồng hồ phơi sáng. Nhờ khả năng thay đổi trạng thái đóng/mở vô cùng chính xác bằng từ trường, hệ thống Microshutter Array còn cho phép quang phổ kế chỉ nhận ánh sáng từ chính xác 100 vật thể trong tầm ngắm bằng cách đóng màn trập tại những vị trí còn lại, giảm thông lượng ánh sáng không cần thiết lọt vào cảm biến.
Kính James Webb trong Phòng thí nghiệm của Trung tâm Vũ trụ Johnson của NASA. Ảnh: Chris Gunn NASA
Để có thể phát hiện ánh sáng sơ khai của vũ trụ, phát hiện và định tính các ngoại hành tinh, các cảm biến chỉ dẫn tinh vi (FGS) được tích hợp cùng với bộ tạo ảnh hồng ngoại gần và máy quang phổ không có khe (NIRISS), tạo thành cấu trúc FGS/NIRISS. Hoạt động ở băng tần như NIRCam và NIRSpec, các cảm biến chỉ dẫn có thể định hướng chính xác cho các gương của kính nhằm tăng độ sắc nét của ảnh.
Các đám bụi dày có thể hấp thụ bước sóng hồng ngoại gần – nguồn thông tin về các thiên hà xa xôi, các ngôi sao mới hình thành, sao chổi và tiểu hành tinh ở vành đai Kuiper. Để thu nhận loại tín hiệu này, thiết bị giữa hồng ngoại (MIRI) đã được lắp đặt với máy ảnh và quang phổ kế có độ phân giải trung bình, hoạt động ở bước sóng 5 đến 28 micro-mét. MIRI sử dụng các mảng silicon pha tạp chất asen để thực hiện các quan sát ở các bước sóng này. Bởi vì MIRI quan sát các bước sóng dài hơn, nó phải mát hơn các thiết bị khác (để không tự thu nhận tín hiệu của chính mình), và cần có hệ thống làm mát bổ sung.
Bộ giáp lạnh của James Webb
JWST được thiết kế để quan sát những đối tượng thiên văn mờ và cực kỳ sâu trong vũ trụ ở trong bước sóng hồng ngoại. Để có thể quan sát được những đối tượng như vậy, các thiết bị cần phải được giữ trong một môi trường cực kỳ lạnh. “Tấm khiên” của James Webb có kích thước bằng một sân quần vợt (220m2), đóng vai trò như một chiếc ô khổng lồ, che chắn khỏi nhiệt lượng từ Mặt trời, Trái đất và cả Mặt trăng, thậm chí che khỏi nguồn nhiệt do chính kính thiên văn phát ra, bởi vì bất cứ vật thể nào nóng đều phát ra hồng ngoại. Đó là lý do hầu hết hệ thống máy móc của James Webb đều nằm bên dưới chiếc khiên, chỉ duy nhất có phần gương mạ vàng là ở trên.
Chiếc khiên gồm năm lớp làm bằng Kapton, một vật liệu trong suốt có mức chịu nhiệt cực kỳ cao, khiến nó dễ dàng hấp thu mà không biến dạng trước sức nóng Mặt trời. Lợi dụng tính chất truyền nhiệt chỉ qua bức xạ của không gian, các lớp khiên kapton siêu mỏng (0.025 đến 0.05 mm) được đặt cách nhau, và chúng được tráng một lớp nhôm để phản chiếu bức xạ lại môi trường xung quanh cũng như tăng khả năng chống đỡ trước các tiểu thiên thạch. Khiên chắn sẽ hướng về phía ba vật thể tỏa nhiệt nhiều nhất là Trái đất, Mặt trời và Mặt trăng. Để đạt được khả năng che chắn cùng lúc, vệ tinh vừa phải bay quanh điểm Lagrange 2, vừa phải điều chỉnh tư thế để quay khiên chắn về hướng Trái đất – Mặt trời.
Chiếc khiên năm lớp khổng lồ giúp cho JWST hạ nhiệt độ của phần mặt gương xuống còn thấp hơn 50 Kelvin (tương đương với âm 2230C). Các thiết bị thu nhận hồng ngoại là NIRCam, NIRSpec, FGS/NIRSS sử dụng cảm biến Thủy ngân-Cadium-Teluri hoạt động chỉ ở khoảng 39 Kelvin (-2340C) cũng chỉ cần được che chắn bởi chiếc khiên là đủ. Tuy nhiên, cảm biến của MIRI làm từ Asen pha với Silicon thì hoạt động ở chỉ 7 Kelvin (-2660C), chỉ cao hơn so với nhiệt độ lạnh trung bình toàn vũ trụ 50 nên cần có một hệ thống làm lạnh chủ động. Nó hoạt động gần giống với hầu hết các tủ lạnh hoặc máy điều hòa không khí: chất lỏng được đưa xuống nhiệt độ lạnh ở phần ấm và được đưa trở lại phần lạnh nơi nó hấp thụ nhiệt, sau đó quay trở lại bình ngưng. Điểm đặc biệt của JWST là nó có bộ làm nguội sơ bộ dạng ống xung nhiều tầng, sử dụng khí heli giúp làm lạnh hiệu quả. Đó là một máy nén kiểu Oxford chuyển động thẳng, cung cấp năng lượng cho một vòng lặp JT. Khoảng cách giữa bộ làm lạnh và thiết bị JT lên đến 10m thay vì vài cm cũng là một bước tiến lớn trong công nghệ làm lạnh.
Bên dưới lá chắn còn là nơi chứa tấm pin mặt trời, thu năng lượng liên tục và cung cấp công suất lên đến 2000W nhằm đảm bảo cho các thiết bị của kính hoạt động liên tục 24/7.
Nín thở chờ tàu neo đậu
Sẽ mất khoảng một tháng để Kính viễn vọng Không gian James Webb di chuyển 1,5 triệu km đến ngôi nhà vĩnh viễn của nó: điểm Lagrange – một vị trí ổn định lực hấp dẫn trong không gian, tạo thành một “hành tinh giả”. Kính viễn vọng không gian James Webb sẽ quay quanh Mặt trời, đồng thời quay quanh một điểm di chuyển nằm giữa khoảng không – Lagrange thứ hai (L2). L2 là một điểm trong không gian gần Trái đất, nằm phía ngoài trên đường thẳng nối Trái đất và Mặt trời; quỹ đạo này sẽ cho phép kính thiên văn ở thẳng hàng với Trái đất khi nó quay quanh Mặt trời. Đây cũng đã là một địa điểm nổi tiếng của một số kính thiên văn không gian khác, bao gồm cả Kính viễn vọng Không gian Herschel và Đài quan sát Không gian Planck.
Khi JWST ra mắt đã trải qua một loạt các bài kiểm tra khoa học và hiệu chỉnh bao gồm triển khai tấm khiên chắn Mặt trời, triển khai kính thiên văn, bật thiết bị và căn chỉnh kính thiên văn. Theo Viện Khoa học quản lý Kính viễn vọng Không gian, những hình ảnh tối ưu từ JWST sẽ bắt đầu xuất hiện khoảng sáu tháng sau khi phóng. Mặc dù chúng ta có thể được xem một số hình ảnh “ánh sáng đầu tiên” sớm hơn một chút.
Thời hạn “trên giấy tờ” cho Kính Viễn vọng Không gian James Webb hoạt động là 5 năm nhưng mục tiêu lớn hơn là 10 năm và hơn nữa. Giới hạn của kính James Webb không nằm ở thiết bị, thậm chí, các nhà khoa học dự tính kính có thể mở rộng thời gian phục vụ quan sát lên đến hơn một thập kỷ. Tuy nhiên vấn đề lại nằm ở chất đốt cạn kiệt sau một thời gian dài dùng cho động đẩy nhỏ để giữ cho kính ổn định trên quỹ đạo quanh L2. Tuy NASA và những đối tác chưa từng xác nhận bằng cách nào để có kéo dài thời gian của sứ mệnh, nhưng từ sớm đã có những tin đồn cho biết các nhà khoa học đang bí mật nghiên cứu một hệ thống và sứ mệnh tàu tự hành riêng biệt để bay đến tiếp nhiên liệu cho JWST trong thời gian tới.
Trong khi JWST đang trên đường đến L2, và dần được triển khai ra tự động, gấp mở không thua kém gì kỹ nghệ origami của người Nhật, cư dân địa cầu đang cùng nín thở chờ xem sứ mệnh sẽ thành hay bại, đến từ sự chính xác đáng kinh ngạc và thành tựu khoa học tột bậc của nhân loại này. □
