Ký Sự Ảnh: Mauna Kea – Quần thể Khoa Học Giữa Thái Bình Dương

Mauna Kea là vùng núi cao nhất trên hòn đảo lớn nhất thuộc quần đảo Hawaii ngoài khơi Thái Bình Dương, tiểu bang thứ 50 của Hoa Kỳ. Theo tiếng địa phương, Mauna Kea có nghĩa là Núi Trắng. Bởi vì trên đỉnh núi vẫn thường hay có tuyết phủ, mặc dầu quần đảo này nằm ở vĩ độ 19, nghĩa là chỉ ngang với Nghệ An hay khu vực Bắc Trung Bộ Việt Nam. Đây vốn là một ngọn núi lửa khổng lồ đã ngưng hoạt động từ hơn 3500 năm trước. Mauna Kea cao gần 4.205 m (13796 bộ Anh theo con số chính thức) trên mặt nước biển, áp suất khí quyển giảm xuống chỉ còn 60%, và lượng hơi nước chỉ còn chừng 2%. Những dữ liệu khô khan này đã tạo nên một bầu trời trong, tối và ổn định ở vùng thượng đỉnh Mauna Kea, và làm cho ngọn núi đơn điệu đến buồn tênh của hòn đảo nhiệt đới bỗng chốc trở thành một nơi quan sát thiên văn lý tưởng vào bậc nhất trên Trái đất kể từ đầu thập niên 90. (Ảnh của Mauna Kea Observatory).

Toàn cảnh thượng đỉnh Mauna Kea. Hiện thời có 13 đài thiên văn của hơn 12 nước.

Địa hình đặc thù của vùng núi Mauna Kea. Rải rác khắp nơi là những mỏm núi lửa đã ngưng hoạt động. Rặng núi thoai thoải đằng xa là Mauna Loa (Núi Dài), với chòm tuyết phủ là dấu vết còn lại của cơn bão nhiệt đới vừa mới đi qua. Những căn nhà nhỏ lác đác phía dưới bên trái là thuộc Trung Tâm Hale Pohaku, nơi ăn nghỉ của các nhà thiên văn. Từ Hale Pohaku mà lên đến đỉnh Mauna Kea còn khác biệt cả ngàn thước về độ cao, cho nên đây còn là nơi thích hợp cho các nhà khoa học tranh thủ để "nạp" lại oxy sau mỗi đêm quan sát ở thượng đỉnh.

Đài Thiên Văn Keck bao gồm hai kính thiên văn quang học và hồng ngoại lớn nhất trên thế giới, với đường kính 10m. Khác với các mặt kính thiên văn cổ điển vốn thường chỉ là một thấu kính đơn độc, mỗi mặt kính của đài Keck được tạo thành từ 36 mảnh kính rời hình lục giác, mỗi mảnh có hình dạng riêng biệt để khi xếp lại tạo thành một mặt gương có hình parabol hoàn hảo. Kể từ khi xuất hiện (1993), cặp kính thiên văn Keck đã thu được rất nhiều phát hiện quan trọng mang tính cơ bản trong thiên văn học. Nổi bật nhất có lẽ là sự phát hiện của hơn 200 hành tinh ngoài Hệ mặt trời, sự tồn tại của một lỗ đen tại trung tâm của hệ Ngân Hà chúng ta, và sự phát hiện một thành phần năng lượng không thấy được bằng phương thức vật lý thông thường, còn gọi là "năng lượng tối" – đây là một phát hiện mang tính chấn động trong vật lý và vũ trụ học. Trong tương lai, những tiến triển của "quang học thích nghi" hứa hẹn Keck sẽ còn lập nên nhiều kỳ tích trong thiên văn học quan trắc. (Ảnh của Laurie Hatch)

Keck dùng "adaptive optics", tạm dịch là quang học thích nghi. Những biến động trong bầu khí quyển làm cho các vì sao "lấp lánh", và vì thế làm nhòa các bức ảnh và giới hạn độ phân giải của các kính thiên văn trên mặt đất như Keck. Quang học thích nghi là kỹ thuật tiên tiến để vượt qua những trở ngại này, bằng cách thay đổi hình dạng của mảnh gương nhỏ một cách nhanh nhạy và liên tục để thích nghi với những biến chuyển trong đường đi của tia sáng do bầu khí quyển gây ra. Keck chiếu tia laser lên không trung để làm phát sáng khí sodium (Na), vốn ở cách bề mặt trái đất 90 km, tạo nên "ngôi sao nhân tạo" dùng để theo dõi những biến động của khí quyển. Với quang học thích nghi, kính thiên văn Keck có thể chụp những bức ảnh có độ rõ nét không kém các bức ảnh của kính thiên văn không gian Hubble, hay của James Webb Space Telescope trong tương lai (JWST là kính thiên văn lớn gấp ba Hubble, dự kiến sẽ phóng lên không gian trong vài năm nữa). (Ảnh của Laurie Hatch)

Tiến sĩ Trần Đình Hiển, một trong hai tác giả của bài ký sự này, là chuyên gia tại Đài thiên văn Keck từ 2003. Trước khi về công tác tại Keck, anh là thành viên trong nhóm Advanced Camera for Survey của đài thiên văn không gian Hubble tại Đại Học John Hopkins. Vấn đề nghiên cứu chính hiện thời của anh là cấu trúc và sự phát triển của quasars, đây là những vật thể sáng cực mạnh được hình thành rất sớm trong vũ trụ.

Đây là những dữ kiện nhà thiên văn Trần Đình Hiển thu được từ đài thiên văn không gian Hubble dựa trên số liệu từ Keck. Phần cốt lõi của ngân hà NGC 4261, cho thấy vòng khoanh bụi và khí bao phủ quanh lỗ đen tại trung tâm, đúng như đã tiên đoán bởi Trần Đình Hiển và các đồng nghiệp.

Nhà Thiên văn Lưu Lệ Hằng (Jane Luu). Một trong những kết quả đặt biệt của Đài thiên văn Keck tìm thấy trong Hệ mặt trời là vòng đai Kuiper, được lập nên bởi nhà thiên văn người Việt Lưu Lệ Hằng cùng thầy là David Jewitt. Từ 1951, nhà thiên văn người Mỹ gốc Hà Lan Gerard Kuiper tiên đoán về sự tồn tại của một vòng đai quanh Hệ mặt trời bên kia quĩ đạo của Hải Vương Tinh, vốn được xem là cái nôi phát sinh của những sao chổi. Đây là những vật thể tương đối rất nhỏ, và cũng như các thiên thể khác trong Hệ mặt trời, chúng không phát ra ánh sáng mà chỉ phản chiếu tia sáng từ Mặt trời, nên rất khó thấy. Nhà thiên văn kể rằng khi còn theo học cao học tại MIT, "mọi người cho rằng đó là một ý tưởng điên rồ, cho nên công trình đã không nhận được sự hỗ trợ nào cả", chị và thầy mình đã phải tự xuất tiền túi để làm.

Dùng kính thiên văn Keck, chị Lưu Lệ Hằng đã lần đầu tìm thấy những vật thể này vào năm 1992, có kích cỡ tương tự như Diêm Vương Tinh (Pluto) và nhanh chóng kết luận, "chúng tôi tìm thấy hàng chục ngàn plutos ngoài ấy – chúng thay đổi hoàn toàn cách nhìn của chúng ta về các hành tinh". Sự phát hiện này chính là cơ sở để hơn mười năm sau các nhà thiên văn đã giáng cấp Diêm Vương Tinh, từ một hành tinh xuống chỉ còn là... một thiên thạch. (Năm 1995, Lưu Lệ Hằng đã về Việt Nam để trình bày công trình này. Lúc ấy chị là phó giáo sư tại Đại học Harvard).

Khác với Keck và các đài thiên văn quang học khác, CSO (Caltech Submillimeter Observatory) chỉ được chế tạo cho các quan trắc ở bước sóng từ 0.3 mm đến vài mm (còn gọi là sóng cao tần hay vi ba). CSO bắt đầu đi vào hoạt động từ 1988, khi mà các kỹ thuật cảm biến cũng như thiết bị quan trắc vi ba còn sơ khai, và những kiến thức thiên văn trong vùng sóng này còn là một ẩn số. Gần hai mươi năm qua, CSO là nơi đi đầu trong việc phát triển các phương thức nghiên cứu cho các bước sóng vi ba, tạo tiền đề cho sự thành công sau này của các nhóm nghiên cứu về bức xạ nền và các lĩnh vực khác. Trong hình, từ trái sang, là Lieko Earle & Jason Glenn từ Đai học Colorado và James Bock từ JPL, đây là các thành viên của nhóm Z-Spec đang tìm cách tiếp cận mặt kính thứ hai của CSO.

Z-Spec, một trong những thiết bị mới nhất có mặt tại CSO (2005), là máy chụp phổ vi ba (trong ảnh là Matt Bradford và Lieko Earle). Đây là một phát minh kỹ thuật rất nhiều hứa hẹn của Jet Propulsion Laboratory. Chúng tôi ước tính kỹ thuật của Z-Spec, nếu dùng cho các đài thiên văn vi ba không gian, sẽ mang lại khả năng đột phá trong việc quan sát. Hiện nay, cơ quan không gian của Nhật Bản và NASA đang xem xét việc thực thi ứng dụng kỹ thuật này của Z-Spec cho đài thiên văn không gian vi ba SPICA, dự kiến sẽ phóng lên trong vòng 10 năm nữa (SPICA với kỹ thuật của Z-Spec sẽ nhạy hơn gấp hàng triệu lần so với Herschel Space Observatory, một công trình hợp tác của NASA và ESA, cơ quan không gian của châu Âu, sẽ phóng vào cuối 2008).

Bầu trời Mauna Kea không phải lúc nào cũng xanh trong, và thời tiết ở Mauna Kea không phải lúc nào cũng lý tưởng. Đây là những gì thấy được sau một cơn bão. Nhìn xuống núi quang cảnh thì "mờ nhân ảnh", mà nhìn lên núi thì đường đi thượng đỉnh vẫn mịt mùng. Trong điều kiện thời tiết này, bánh xe buộc phải có vòng xích để khỏi bị trượt và rơi xuống núi. Trong hình là Lieko Earle, một sinh viên trong nhóm quan sát vừa tròng xong vòng xích cho xe.

Tác giả, Nguyễn Trọng Hiền, trong ngày Giáng sinh trắng 2001 tại Mauna Kea. Nguyễn Trọng Hiền tham gia quan sát và chế tạo các thiết bị vi ba tại CSO, khởi đầu là Bolocam (1999) và hiện nay là thành viên của nhóm Z-Spec.
Các tác giả cảm ơn Laurie Hatch đã cung cấp một số ảnh cho bài ký sự.

--------------------
* JPL, NASA; Học viện Công nghệ California-Caltech;
**Đài thiên văn W. M. Keck

Nguyễn Trọng Hiền*, Trần Đình Hiển**

Trở lại Khoa học - Công nghệTrở lại Khoa học - Công nghệ