Đằng sau những bức hình không gian lộng lẫy từ kính viễn vọng James Webb

Các nhà khoa học NASA đã dành 26 năm nghiên cứu cùng sự kiên nhẫn, thời gian và tiền bạc phía sau kính viễn vọng James Webb. Đó là năm 1996, một ủy ban các nhà thiên văn làm việc với cơ quan vũ trụ đã lần đầu tiên đề xuất một chiếc kính viễn vọng thế hệ mới cho phép quan sát không gian cách xa 13,6 tỷ năm ánh sáng – đã phát hiện ánh sáng hồng ngoại truyền tới chúng ta chỉ 200 triệu năm sau vụ nổ Big Bang. Chiếc kính viễn vọng khi đó được hứa sẽ ra mắt vào năm 2007 với cái giá chỉ 500 triệu đô – khá rẻ so với những gì nó đem lại.

Tuy nhiên nó đã không diễn ra như vậy. Kế hoạch ra mắt năm 2007 đã không xảy ra cho đến tận Giáng sinh 2021, và cái giá 500 triệu đô la ấy đã “nở” ra thành 10 tỷ đô. Nhưng lời hứa của các nhà thiên văn thì không đổi: những hình ảnh từ chiếc kính viễn vọng mới sẽ rất ngoạn mục.

Cụm thiên hà SMACS 0723, được chụp bởi Kính viễn vọng Không gian James Webb (Ảnh: NASA/ESA/CSA/AP).

Và vào tối ngày 12/7 (theo giờ Việt Nam), lời hứa đó đã được giữ. Trong một cuộc họp báo tại Trung tâm bay vũ trụ Goddard ở Greenbelt, Maryland (Mỹ), NASA đã công bố thêm 4 hình ảnh mới được chụp bởi James Webb: các cụm thiên hà, tinh vân và một ngoại hành tinh khổng lồ chưa từng thấy. Trước đó, một cuộc họp báo tại Nhà Trắng của quản trị viên NASA Bill Nelson với sự có mặt của Tổng thống Mỹ Joe Biden và Phó tổng thống Kamala Harris đã công bố một hình ảnh gây sửng sốt về một cụm thiên hà có tên SMACS 0723 gồm hàng ngàn các thiên hà, gồm cả những thiên hà xa xôi nhất từng được quan sát trong quang phổ hồng ngoại.

“Những hình ảnh này sẽ nhắc nhở thế giới rằng Mỹ có khả năng làm nên những điều tuyệt vời. Không có gì nằm ngoài khả năng của chúng ta”, ông Joe Biden nói. Ông cho biết kính thiên văn Webb “tượng trưng cho tinh thần không ngừng nghỉ về tài khéo léo của người Mỹ”.

Tất cả những bức hình được tiết lộ này là thứ mà hầu hết những người ngoài cộng đồng thiên văn học chưa từng biết tới, nhưng giờ đây sẽ có một vị trí trong lịch sử vũ trụ. Bên cạnh SMACS 0723, đó là: Tinh vân Carina – một trong những tinh vân sáng và lớn nhất trên bầu trời, cách trái đất 7.600 năm ánh sáng; WASP-96b – một hành tinh khí khổng lồ quay quanh 1 ngôi sao cách trái đất 1.150 năm ánh sáng; Tinh vân Southern Ring – một đám mây khí đang giãn rộng gần nửa năm ánh sáng và bao quanh một ngôi sao sắp chết cách 2.000 năm ánh sáng; và nhóm thiên hà Stephan’s Quintet cách trái đất 290 triệu năm ánh sáng, được chụp thô lần đầu vào năm 1787.

Các nhà khoa học Webb đã chọn 5 mục tiêu làm nhóm vật thể mẫu để quan sát trong những năm qua: Tinh vân Southern Ring đại diện cho cái chết của sao, SMACS 0723 là một thử nghiệm độ sâu trường ảnh; Tinh vân Carina là một vườn ươm với hàng triệu ngôi sao được sinh ra.

Tinh vân Carina được xem là một vườn ươm các vì sao (Ảnh: NASA, ESA, CSA, STScI).

Đứng bên bức ảnh Carina, Phó quản lý dự án Amber Straughn cho biết: “Tôi không thể không nghĩ về mức độ quy mô. Bạn biết đấy, mỗi ánh sáng chúng ta thấy ở đây là một ngôi sao riêng lẻ, không như mặt trời, và nhiều ngôi sao trong số này có thể có cả hành tinh. Nó chỉ nhắc tôi rằng mặt trời và các hành tinh, và sau cùng là chúng ta, từng được hình thành từ cùng một thứ mà chúng ta thấy ở đây. Con người chúng ta thực sự được kết nối với vũ trụ. Chúng ta được tạo nên từ những thứ tương tự như trong cảnh sắc tuyệt đẹp này”.

Dù vậy, theo một cách nào đó, vật thể nhỏ nhất mà kính viễn vọng chụp được – ngoại hành tinh WASP-96b – có khả năng tạo nên sự phấn khích lớn nhất. Cho tới nay, các ngoại hành tinh hay các hành tinh quay quanh các ngôi sao khác, chỉ có thể được phát hiện bằng một trong hai cách: phương thức quá cảnh thiên thể, là khi các nhà thiên văn thấy độ mờ nhỏ của ánh sáng trong một ngôi sao mẹ lúc một hành tinh quay quanh đi qua trước nó; và phương pháp vận tốc xuyên tâm – mà ở đó, họ tìm kiếm sự dao động nhỏ tại vị trí của ngôi sao gây ra bởi lực hấp dẫn của hành tinh quay quanh nó.

Tinh vân Southern Ring (Ảnh: NASA, ESA, CSA, and STScI).

Điều mà các nhà thiên văn học không thể làm cho đến giờ là nhìn thấy chính hành tinh này, bởi việc phát hiện một thiên thể nhỏ bé trong vầng sáng lóa của ngôi sao mẹ như việc cố nhìn một con bướm đêm bay cạnh đèn đường khi đứng cách đó một dãy nhà. Hình ảnh ấy đơn giản sẽ bị trôi. Trên thực tế, Webb hiện vẫn không thể có được hình ảnh của chính WASP-96b, nhưng thay vào đó nhận được một thứ quan trọng hơn. Các nhà thiên văn giờ có thể có những bức hình mờ nhạt của các ngoại hành tinh, họ có thể tìm kiếm dấu hiệu sự sống ở đó, và khi ánh sáng từ ngôi sao mẹ truyền qua bầu khí quyển của những hành tinh này sẽ tiết lộ cấu tạo các loại khí và có thể cả dấu vân tay hóa học.

Webb chỉ cho thấy một quang phổ hóa học của WASP-96b, hé lộ rằng bầu khí quyển ở đó nhiều nước – một thành phần quan trọng cho sự sống như chúng ta biết. Nhà khoa học Knicole Colón - phó dự án Webb cho biết: “Những gì bạn đang thấy ở đây là một dấu ấn hóa học của hơi nước trong bầu khí quyển tại chính ngoại hành tinh này. Một vài điều khác mà chúng tôi thực sự có thể nói là có bằng chứng về mây và sương mù”.

Phân tích thành phần khí quyển của ngoại hành tinh WASP-96b (Ảnh:  NASA, ESA, CSA, and STScI).

Như Phó tổng thống Mỹ Harris chia sẻ, với những bức hình như này, chúng ta đang bước vào một “giai đoạn khám phá khoa học mới”. Những tấm ảnh này mang đến một “cửa sổ mới vào lịch sử vũ trụ của chúng ta”, Tổng thống Mỹ Biden cho biết.

Riêng việc Webb hoạt động đã là một thành công, khi mà công nghệ và vị trí của nó trong không gian khiến nó không giống với bất kỳ kính viễn vọng nào từng được chế tạo trước đây. Chiếc kính viễn vọng Hubble được phóng vào không gian năm 1990, quay quanh trái đất trong một quỹ đạo cao 547km (340 dặm), ngay trên bầu khí quyển chúng ta và giống như một hình trụ kim loại với các lăng kính được dựng bên trong và ánh sáng truyền vào từ một đầu. Sở dĩ nó có hình dáng tầm thường như vậy bởi Hubble hoạt động theo cách thông thường – chủ yếu nhìn trong vùng quang phổ thấy được. Điều này đồng nghĩa lăng kính của nó cần được bảo vệ khỏi những tia sáng đi lạc từ mặt trời, trái đất và những vật thể khác mà nó không quan sát được. Vì thế, nhét chúng vào bên trong thân kính viễn vọng sẽ cho phép chúng tập trung vào những vật thể đó.

Trong khi đó, kính viễn vọng Webb hoạt động trong quang phổ hồng ngoại – một bước sóng ánh sáng nằm ngoài vùng quang phổ có thể nhìn thấy, là thước đo nhiệt nhiều hơn ánh sáng. Hubble không bao giờ có thể nhìn thấy khoảng cách 13,6 tỷ năm ánh sáng như Webb, bởi vùng ánh sáng nhìn thấy từ rất xa bị che khuất bởi bụi và khí trong không gian sâu thẳm. Trong khi đó tia hồng ngoại cắt xuyên qua sự cản trở đó. Vậy nên, để có thể hoạt động, Webb cần được bảo vệ tránh nhiệt độ cao bởi sẽ làm mờ lăng kính của nó như cách ánh sáng đi lạc làm mờ những tấm gương quang phổ thấy được của Hubble. Chính vì thế, kính viễn vọng được giữ trong môi trường cực lạnh, khiến nó có cấu trúc khác thường.

Stephan’s Quintet, một tập hợp năm thiên hà, được MIRI nhìn thấy trên Kính viễn vọng Không gian James Webb (Ảnh:NASA, ESA, CSA, STScI).

Một nhóm năm thiên hà xuất hiện gần nhau trên bầu trời: hai thiên hà ở giữa, một thiên về phía trên, một ở phía trên bên trái và một ở phía dưới (Ảnh:NASA, ESA, CSA, STScI).

Gương chính của Webb có chiều ngang 6,5m, và được làm từ 18 đoạn hình lục giác. Mỗi đoạn có thể được điều chỉnh theo bảy trục khác nhau với độ chính xác đến nanomet – hay một phần tỷ mét – cho phép gương về tổng thể được lấy nét để có độ chi tiết và rõ nét tối đa. Tấm gương vẫn tiếp xúc với không gian bởi đặt nó trong một vỏ bọc như tấm gương chính của Hubble sẽ giữ nhiệt. Nó cũng không quay quanh trái đất bởi nơi có chu kỳ ngày đêm không đổi trong mọi quỹ đạo sẽ gây ra những gián đoạn nhiệt của chính nó. Thay vào đó, nó được đặt cách hành tinh 1,6 triệu km ở một nơi được gọi là điểm Lagrange – một điểm trong không gian mà trọng lực của trái đất và mặt trời triệt tiêu lẫn nhau, cho phép các vật thể quay quanh một điểm vô hình như thể chúng quay quanh một vật thể rắn như một hành tinh.

Tuy nhiên, vẫn phải đối phó với sức nóng của mặt trời và thậm chí với cả trái đất và mặt trăng ở xa. Vì lý do đó, tấm gương bay trên một tấm chắn bảo vệ mặt trời, nằm trên đó như một cánh buồm trên chiếc thuyền. Có hình dạng như một cánh diều và to như một sân tennis, tấm chắn mặt trời được làm từ 5 lớp kapton chịu nhiệt cao , một lớp màng như giấy bạc với độ dày không hơn sợi tóc người. Ở vỏ ngoài – phía luôn đối diện với mặt trời giữ cho tấm gương luôn trong bóng tối, có nhiệt độ khoảng 110º C. Mặt phía trong, gần với gương nhất, có nhiệt độ là -237º C. Nhiệt độ lạnh như vậy cho phép những dấu hiệu nhiệt không nhìn thấy hay mờ nhạt của tín hiệu hồng ngoại được ghi lại trên lăng kính của kính viễn vọng, và được dịch kỹ thuật số thành những bức hình có thể nhìn thấy.

Kính viễn vọng không gian James Webb (Ảnh: NASA)

Webb giống như một cỗ máy thời gian, cũng như một cỗ máy quan sát. Càng nhìn xa vào trong không gian, chiếc kính càng thấy xa hơn về quá khứ bởi hình ảnh các vật thể từ xa phải mất một thời gian rất dài mới tới được chúng ta. Vì thế, những hình ảnh ta thấy về một thiên hà cách chúng ta 13,6 tỷ năm ánh sáng không phải là hình dáng của nó hiện tại – mà là hình ảnh của nó cách đây 13,6 tỷ năm trước, trong giai đoạn sơ khai của vũ trụ. Chiếc kính viễn vọng Hubble có thể nhìn thấy cách xa tối đa 13,4 tỷ năm ánh sáng. Dù lợi thế 200 triệu năm ánh sáng của Webb đem lại không nhiều nhưng thực tế lại rất lớn. Rất nhiều điều đã xảy ra trong 200 triệu năm đó, và các kính viễn vọng đã bị mù cho tới tận giờ.

Trong cuộc trò chuyện với tờ Time năm ngoái, ông Scott Friedman – một nhà thiên văn thuộc nhóm Webb cho biết: “Sự khác nhau giữa Hubble và Webb không giống như so sánh người 70 tuổi với người 71 tuổi. Nó giống như so sánh em bé 1 ngày tuổi với em bé 1 tuổi, và đó là sự khác biệt lớn”. Giống như ông Nelson đã nói, “Ở nơi nào đó, một điều gì đó đáng kinh ngạc đang chờ để biết đến”.

Nhưng vấn đề khoa học Webb sẽ tiến hành trong những năm tới là chuyện sau này - các nhà thiên văn học trên khắp thế giới đang kêu gọi với đề xuất dành thời gian trên Webb để nghiên cứu những vật thể đáng quan tâm trong những năm tới đây. Còn giờ đây, đơn giản là chỉ để khoe vẻ lộng lẫy của nó. Vũ trụ có thể khiến ta choáng ngợp với phạm vi và vẻ đẹp của nó. Và Webb, hơn bất kỳ đài quan sát nào trước đó, đang kéo lên bức màn bao phủ tất cả.