Những bí ẩn chờ được khám phá qua kính thiên văn

[miro1510]

Vũ trụ luôn bí ẩn và cuốn hút với loài người từ xa xưa.

Kính viễn vọng không gian Hubble hoạt động trên quỹ đạo năm 1997. Ảnh: NASA

Đã hơn 4 thế kỷ trôi qua kể từ khi nhà thiên văn học Galileo Galilei hướng chiếc kính thiên văn đầu tiên lên bầu trời, nhân loại đã có những bước phát triển vĩ đại về nhận thức nhờ việc quan sát được ngày càng sâu hơn vào vũ trụ.

Sau 400 năm từ thời của Galileo, thế giới quan của loài người về vũ trụ đã thay đổi hoàn toàn. Chúng ta có nhiều khí cụ, dụng cụ để mở rộng tầm nhìn về vị trí của mình trong vũ trụ.

Tuy nhiên chúng ta vẫn chưa thể biết tất cả. Những bí ẩn của vũ trụ vẫn còn rất nhiều phía trước và đi cùng với nó là cả ước mơ và trí tưởng tượng của con người. Còn những gì chúng ta chưa biết về quá khứ và tương lai của vũ trụ? Các thiên hà hình thành và phát triển ra sao?

Các lỗ đen hình thành như thế nào và đóng vai trò ra sao trong vũ trụ? Liệu có những nền văn minh khác ở đâu đó trong vũ trụ rộng lớn hay không? Những câu hỏi đó sẽ ngày càng sáng tỏ với những thế hệ kính thiên văn tương lai đang được xây dựng hoặc đã bắt đầu đi vào hoạt động.

Các đài quan sát mặt đất

Một trong những dự án kính thiên văn sớm đưa vào hoạt động trong năm 2022 là đài quan sát Vera C. Rubin.

Đài quan sát Vera C. Rubin: Một trong những dự án kính thiên văn sớm đưa vào hoạt động trong năm 2022 là đài quan sát Vera C. Rubin, còn được biết tới với tên khác là LSST (viết tắt của Large Synoptic Survey Telescope, tạm dịch là kính thiên văn tổng quát lớn).

Mục tiêu khoa học của kính LSST là khảo sát toàn bộ các vật thể gần với Trái đất (gọi chung là các NEO), các vật thể trong vành đai Kuiper.

Một trong những trở ngại lớn nhất của việc quan sát các vật thể trên là chúng rất mờ nhạt, di chuyển nhanh và quỹ đạo phức tạp. Thiết kế của LSST khắc phục được một trong những trở ngại của tất cả các kính thiên văn trước đây nhờ camera siêu rộng đường kính 1,65m, mang lại độ phân giải lên tới 3,2 gigapixel, với tổng diện tích trường nhìn lớn gấp 40 lần diện tích của Trăng tròn trên bầu trời.

Theo dự kiến, sau khi đi vào hoạt động, đài quan sát này sẽ chụp ảnh toàn bộ thiên cầu trong 10 năm và mỗi đêm dự kiến sẽ có 15TB dữ liệu được thực hiện. Mục tiêu hướng tới của LSST là 37 tỷ thiên hà và ngôi sao.

Ngoài ra, các mục tiêu khoa học khác của LSST là nghiên cứu vật chất tối chứa trong các thiên hà, năng lượng tối, lập bản đồ của Milky Way, đồng thời hỗ trợ cộng đồng thiên văn học trong nghiên cứu chứng minh các lý thuyết khác trong vật lý thiên văn.
Kính thiên văn khổng lồ Magellan (GMT): GMT (viết tắt của Gianrt Magellan Telescope) là một trong những thế hệ kính thiên văn tiên tiến mặt đất tiếp theo đang được xây dựng và sẽ đưa vào sử dụng từng phần vào cuối thập niên này. Kết cấu chính của nó gồm 7 gương liền khối 7x8,4m, trong đó gương đầu tiên được đúc vào năm 2005 và chiếc cuối cùng năm 2021.

Một chiếc gương dự phòng sẽ được đúc và lưu giữ trong phòng thí nghiệm. Khi hoàn thành, kính thiên văn mặt đất này sẽ có độ phân giải lý thuyết gấp 10 lần kính thiên văn không gian Hubble.

Cho đến nay, GMT là một trong những kính thiên văn lớn nhất đang được chế tạo của loài người. Mục tiêu của GMT là tìm câu trả lời cho câu hỏi về thời kỳ đầu của vũ trụ, ngay sang Big Bang, sự hình thành của những ngôi sao và thiên hà đầu tiên cũng như cách mà những lỗ đen đầu tiên ra đời.

Nó cũng có khả năng quan sát các ngoại hành tinh kích cỡ tương tự Trái Đất ở vùng sống được quanh các ngôi sao khác. Với nhiều công nghệ mới được đưa vào sử dụng, GMT sẽ hỗ trợ các nhà thiên văn để tìm câu trả lời cho câu hỏi "Chúng ta có thực sự cô đơn trong vũ trụ?". Các nhà khoa học hy vọng đài quan sát sẽ được hoàn thành vào năm 2025.

TMT và ELT: Cả hai đài quan sát TMT (viết tắt của Thirty Meter Telescope (kính thiên văn 30 mét) và ELT (viết tắt của Extremely Large Telescope (kính thiên văn siêu lớn) ban đầu là E-ELT với chữ E đầu tiên là viết tắt cho European) đều là dạng kính thiên văn kiểu gương ghép gồm nhiều tấm gương nhỏ, đã thử nghiệm từ những năm 70 của thế kỷ trước và sau đó thành công với các kính thiên văn KECK I, II...

Công nghệ này giúp giải quyết được trở ngại mà việc chế tạo gương liền khối thường gặp như khối lượng, độ dày, kích thước... TMT được chế tạo bởi Đài quan sát quốc tế TMT và sẽ được đặt trên đỉnh Mauna Kea ở Hawaii (Mỹ) trong khi đó ELT là đài quan sát của ESO (Đài quan sát tại khu vực Nam bán cầu của châu Âu) và sẽ đặt tại sa mạc Atacama (Chile).

Với độ mở 39,3 mét (ELT) và 30 mét (TMT), đây là hai kính thiên văn mặt đất lớn nhất thế giới tính ở thời điểm chúng sẽ đi vào hoạt động (dự kiến vào năm 2027). Chúng được kỳ vọng sẽ mang lại nhiều khám phá lớn về các ngoại hành tinh, về cách mà các hệ hành tinh hình thành trong những giai đoạn sớm nhất, và xa hơn nữa là sự ra đời của các sao và thiên hà sớm nhất trong vũ trụ.

Các đài quan sát không gian

Mô phỏng kính James Webb hoạt động trong không gian. Ảnh: NASAc

Kính James Webb
Nối tiếp thành công của rất nhiều thế hệ kính thiên văn ngoài không gian từ Hubble, Spitzer, Chandra và gần đây nhất là kính James Webb vừa được phóng thành công và bắt đầu đi vào hoạt động... nhiều kính thiên văn không gian khác vẫn đang tiếp tục được xây dựng.

Lợi thế quan trọng nhất của các kính thiên văn không gian (mặc dù chúng không thể lớn như những kính lớn nhất ở mặt đất) là chúng thu được ánh sáng chân thực nhất do không bị ảnh hưởng bởi bầu khí quyển của Trái đất (khúc xạ, tán xạ trong khí quyển, ô nhiễm ánh sáng). Tuy vậy, một trở ngại lớn mà những dự án tương lai sẽ phải vượt qua được là công nghệ tên lửa đẩy (SLS).

LUVOIR: Được thiết kế với bước sóng quan sát tương tự kính thiên văn không gian Hubble, nhưng với đường kính vật kính lớn hơn rất nhiều, LUVOIR được dự kiến sẽ phóng lên vào năm 2039. Đây là một kính thiên văn không gian đa bước sóng đang được NASA lên ý tưởng.

Hiện tại, đang có hai ý tưởng cho dự án tùy thuộc vào thực tế của hệ thống công nghệ tên lửa đẩy trong tương lai. Phương án thứ nhất được gọi là LUVOIR-A dự định sẽ có đường kính gương chính là 15,1m, ghép lại từ 36 mảnh gương nhỏ, cho ra độ phân giải sẽ gấp 24 lần kính thiên văn Hubble. Phương án còn lại là LUVOIR-B, sẽ thực hiện trong trường hợp tên lửa đẩy thế hệ mới không được phát triển thành công, khi đó vật kính sẽ nhỏ hơn, với đường kính chỉ 8m, nhưng có thể cho độ phân giải gấp 5 tới 10 lần kính James Webb.

LUVOIR vẫn sẽ tiếp tục các mục tiêu vốn có của Hubble và James Webb (bởi thời điểm nó được phóng lên, James Webb đã hoạt động tới 2 thập kỷ trên quỹ đạo), tiếp tục tìm kiếm những khám phá lớn về vũ trụ ở dải sóng trải dài từ tử ngoại tới hồng ngoại - nhưng với độ nhạy và độ sắc nét cao hơn nhiều kính thiên văn hiện nay.

HabEx: Đài quan sát ngoại hành tinh có khả năng sống được (Habitable Exoplanet Observatory, viết tắt là HabEx) là dự án kính thiên văn của NASA được đề xuất sẽ phóng lên quỹ đạo vào khoảng năm 2035.

Thông qua tên gọi của dự án, chúng ta cũng rõ mục đích của nó. Đó là tập trung vào việc tìm kiếm khả năng hỗ trợ sự sống cho các ngoại hành tinh có quỹ đạo xung quanh các ngôi sao khác. Dự án đã hoàn thành nghiên cứu, đánh giá được mức độ khả thi và sẽ triển khai sớm trong thời gian tới.

Cấu tạo của HabEx sẽ gồm hai cụm thiết bị chính: Hệ thống kính và các khí cụ đo đạc tiên tiến với đường kính 4 mét, và hệ thống khiên đường kính 72 mét đặt cách HabEx hàng chục nghìn km để chặn và lọc ánh sáng tới từ chính ngôi sao ở các hệ được quan sát. Việc vận hành hệ thống sẽ rất phức tạp vì khoảng cách đồng thời hai thiết bị.

Mục tiêu chính của HabEx bao gồm tìm kiến những thế giới mới và tiềm năng sự sống của chúng; Dựng bản đồ và phân loại các ngoại hành tinh trong thiên hà; Khám phá sâu hơn về chính Hệ Mặt trời và thiên hà của chúng ta, cũng như phục vụ các nghiên cứu khác về vũ trụ.

Lyns: Đài quan sát tai X Lynx là kính thiên văn không gian do NASA lên kế hoạch để tiếp nối thành công của đài quan sát không gian Chandra - một kính thiên văn không gian quan sát vũ trụ ở dải tia X và đã mang lại rất nhiều khám phá có giá trị trong những năm vừa qua.

Với mục tiêu quan sát dải bước sóng ngắn của tia X nên đài quan sát này sẽ tập trung vào các đối tượng thiên văn đặc biệt như lỗ đen hay vùng trung tâm còn đầy bí ẩn của các thiên hà và cụm thiên hà cũng như sự hình thành và phát triển của chúng.

Các nhà thiên văn hy vọng rằng sau khi được phóng lên (dự kiến vào khoảng năm 2046), Lynx sẽ giúp giải đáp được nhiều câu hỏi về sự hình thành của các lỗ đen và quá trình tiến hóa của các thiên hà, đồng thời lập bản đồ các nguồn phát tia X trong vũ trụ.
Với gương chính có đường kính 3 mét, Lynx lớn hơn Hubble một chút và sẽ có khả năng quan sát gấp 100 lần tiền nhiệm của mình là Chandra. Các nguồn phát tia X là những nơi đầy tiềm năng để hiểu rõ hơn về các cấu trúc bí ẩn mà chúng ta chưa nắm rõ.

Nhiều thông tin chỉ có thể được khai thác ở dải sóng này, nhưng những kính thiên văn khác đa phần không có khả năng quan sát chi tiết dải này, và do đó sau Chandra thì Lynx sẽ là đài quan sát hàng đầu trong việc nghiên cứu những nguồn tia X trong vũ trụ.

Origins: Dự án Origins là một trong những dự án lớn và mang tính khát vọng của loài người, với mục tiêu là để góp phần quan trọng trong việc giải đáp ba câu hỏi lớn của khoa học hiện đại: Vũ trụ hoạt động như thế nào? Tại sao chúng ta có mặt ở đây?

Chúng ta có đơn độc trong vũ trụ?
Trên thực tế, Origins cùng ba kính thiên văn chúng ta vừa nhắc đến (gồm LUVOIR, HabEx và Lynx) là bốn kính thiên văn thế hệ tiếp theo nằm trong nhóm dự án đầy tham vọng mà NASA gọi là "các sứ mệnh chiến lược lớn về khoa học). Hubble, James Webb và Chandra cũng là những thành viên của nhóm sứ mệnh này.

Khác với các sứ mệnh còn lại, Origins sẽ quan sát vũ trụ ở những bước sóng dài nhất của dải bức xạ hồng ngoại (hồng ngoại trung và xa). Nó được dự kiến sẽ sử dụng một gương có đường kính 5,9 mét, được làm lạnh tới nhiệt độ 4,5K.

Sau khi được phóng lên (dự kiến năm 2035), Origins sẽ lần theo dấu vết những giai đoạn sớm nhất của vũ trụ để (đúng như tên gọi của nó) tìm kiếm nguồn gốc xa xôi nhất của các nguyên tố nặng trong vũ trụ và cách mà các thiên hà hình thành và phát triển để trở thành những thiên hà mà chúng ta nhìn thấy ngày nay.

Khi mà đa số các kính thiên văn hiện tại đều đã không còn mới nữa, và ngày càng có thêm nhiều bí ẩn mới đang đợi được mở ra, có vẻ như chúng ta sẽ có hai thập kỷ sắp tới với những thành công rực rỡ của các đài quan sát đang chờ ngày hoạt động.