Kính viễn vọng Không gian James Webb được chờ đợi từ lâu đang mở ra một kỷ nguyên quan sát không gian mới.
Với kính chắn nắng có kích thước bằng sân tennis và gương chính 6,5m được đóng gói phẳng bên trong bệ phóng giống như một con tàu trong chai, Kính viễn vọng Không gian James Webb đã lấy dùi cui quan sát từ các nhiệm vụ trước đó như Kính viễn vọng Không gian Kepler, Kính viễn vọng Không gian Spitzer và , tất nhiên, Kính viễn vọng Không gian Hubble đáng kinh ngạc.
Sau khi được phóng, JWST đã di chuyển hơn 1,5 triệu km đến một tiền đồn ổn định về lực hấp dẫn có tên là Lagrange 2 (L2).
Nó nằm trên một đường thẳng từ Mặt trời đến Trái đất và xa hơn nữa, vì vậy JWST bị khóa vào quỹ đạo hàng năm của Trái đất quanh Mặt trời.
Kính viễn vọng Không gian James Webb – không giống như Hubble, quay quanh Trái đất, đi vào và ra khỏi bóng tối của chúng ta cứ sau 90 phút – có tầm nhìn không bị cản trở về Vũ trụ.
Tuy nhiên, vị trí xa của kính viễn vọng mới cũng có nghĩa là, không giống như Hubble, không thể tiếp cận nó sau khi phóng và vì vậy các nhiệm vụ tương tự như các nhiệm vụ bảo dưỡng Hubble là không thể.
JWST sẽ lơ lửng ở L2 trong 5,5 đến 10 năm tới và các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng nó đang cho chúng ta những cái nhìn thoáng qua về Vũ trụ sơ khai mà chúng ta chưa từng thấy trước đây.
Bạn có thể thấy điều này trong các hình ảnh mới nhất của Kính viễn vọng Không gian James Webb.
Đây là một trong những kính viễn vọng lớn nhất, mạnh nhất và đang mang đến cho chúng ta những hiểu biết mới về mọi giai đoạn trong lịch sử của Vũ trụ, từ những đám mây bụi đầu tiên cho đến sự hình thành Hệ Mặt trời của chúng ta.
NASA, một trong những cộng tác viên của JWST cùng với Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) và Cơ quan Vũ trụ Canada, rất muốn chỉ ra rằng JWST là sản phẩm kế thừa của Hubble chứ không phải là sản phẩm thay thế.
Khi Hubble được phóng cách đây 30 năm, nó là kính ngắm quang học đầu tiên đặt trên không gian và đã mang đến cho chúng ta những góc nhìn chưa từng có về Vũ trụ. Tuy nhiên, nó xem xét các dải bước sóng quang học, tia cực tím và cận hồng ngoại.
James Webb sẽ xem xét giữa ánh sáng đỏ nhìn thấy được và ánh sáng hồng ngoại trung bình, nhìn xa hơn nữa vào Vũ trụ sơ khai.
Ánh sáng từ các vật thể phát sáng sớm nhất truyền đi rất xa trong một Vũ trụ đang giãn nở đến mức vào thời điểm nó đến được với chúng ta, các bước sóng của nó đã bị kéo dài hoặc ‘dịch chuyển đỏ’.
Điều này có nghĩa là Vũ trụ sớm nhất chỉ có thể quan sát được ở phần hồng ngoại của quang phổ.
Gương lớn hơn của JWST cho phép nó thu ánh sáng gấp sáu lần so với Hubble, với trường nhìn gấp 15 lần diện tích của máy ảnh cận hồng ngoại và quang phổ kế (NICMOS) của Hubble.
Mục đích chính của nó là thăm dò cái gọi là “sự kết thúc của thời kỳ đen tối” sau Vụ nổ lớn, khi Vũ trụ bắt đầu tràn ngập “ánh sáng đầu tiên” từ những ngôi sao mới được đốt cháy.
Nó có thể nhìn lại 100–250 triệu năm sau Vụ nổ lớn.
Nhưng giống như Hubble, nó cũng là một đài quan sát có mục đích chung và sẽ đặc biệt xem xét sự hình thành và lắp ráp của các thiên hà, tác động của lỗ đen và nguồn gốc của sự sống.
Các nhà khoa học hy vọng JWST sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về kích thước và hình học của Vũ trụ, đưa ra ánh sáng về vật chất tối và năng lượng tối, đồng thời giúp chúng ta hiểu được số phận cuối cùng của vũ trụ.
Độ phân giải cao của nó có nghĩa là JWST có thể cung cấp thông tin chi tiết tốt hơn về Dải Ngân hà và các thiên hà lân cận của chúng ta, “mở rộng đáng kể công việc do Hubble bắt đầu ra bên ngoài”, theo ESA.
Tương tự như vậy, độ phân giải của nó sẽ cho phép các nhà khoa học xem các hệ hành tinh hình thành như thế nào.
Đọc thêm về bộ công cụ JWST .
Một trong những nhiệm vụ của JWST là quan sát bầu khí quyển của các ngoại hành tinh đá, có khả năng ở được trong hệ thống bảy hành tinh của TRAPPIST-1, cách Trái đất 39 năm ánh sáng.
Hệ thống này được phát hiện bởi Kính viễn vọng Không gian Spitzer, đã ngừng hoạt động vào tháng 1 năm 2020.
Giống như James Webb, nó chuyên về phạm vi hồng ngoại, nhưng JWST mạnh hơn 1.000 lần so với Hubble.
Làm thế nào để Kính viễn vọng Không gian James Webb so với Kính viễn vọng Không gian Hubble?
Tiến sĩ Eric Smith, Nhà khoa học chương trình của Kính viễn vọng Không gian James Webb, tiết lộ thêm về những gì JWST sẽ làm.
Cuộc phỏng vấn này được thực hiện trước khi ra mắt Kính viễn vọng Không gian James Webb.
Hubble, thật tuyệt vời sau hơn 30 năm tồn tại của nó, đã cho chúng ta biết rằng có một số điều mà chúng ta cần một cơ sở khác để trả lời.
Theo một nghĩa nào đó, Hubble đã thiết lập các câu hỏi kế thừa khoa học mà Webb được thiết kế để trả lời, và lý do Hubble không thể, chẳng hạn, hoàn thành một số cuộc điều tra hoặc hoàn thành chúng là vì nó có một tấm gương chính với kích thước nhất định và bước sóng của nó. khu vực chủ yếu được nhìn thấy.
Một trong những lĩnh vực cụ thể mà Hubble đã chỉ ra cho chúng tôi là nhu cầu về kính viễn vọng hồng ngoại lớn hơn để tìm ra một số thiên hà sớm nhất.
Vì vậy, Hubble cho phép chúng tôi biết cách xây dựng thiết bị kế nhiệm của nó.
Đúng rồi. Do tốc độ ánh sáng hữu hạn và khoảng cách rất lớn của không gian, nên khi chúng ta nhìn thấy ánh sáng từ những thiên hà sớm nhất này, ánh sáng đó đã rời đi từ lâu trên hành trình đến kính thiên văn của chúng ta.
Vì vậy, chúng ta đang nhìn ngược thời gian khi Vũ trụ còn non trẻ. Mặc dù những thiên hà này ở rất xa, nhưng chúng thực sự còn trẻ khi chúng ta quan sát chúng và ánh sáng của chúng đã bị chuyển sang màu đỏ do sự giãn nở của Vũ trụ.
Ánh sáng để lại những thiên hà rất trẻ đó dưới dạng tia cực tím và ánh sáng khả kiến, nhưng sự giãn nở của Vũ trụ đã kéo dài bước sóng của nó thành tia hồng ngoại. Và đó là lý do tại sao chúng tôi tối ưu hóa Webb để hoạt động ở đó.
Với Hubble, chúng ta có thể nhìn lại để thấy một số thiên hà trẻ khi Vũ trụ được khoảng 500 triệu năm tuổi.
Chúng tôi sử dụng các thí nghiệm nền vi sóng như WMAP hoặc sứ mệnh Planck để xem nền vi sóng vũ trụ, cái gọi là bề mặt của sự tán xạ cuối cùng, đó là khi Vũ trụ được ba trăm nghìn năm tuổi.
Vì vậy, trong khoảng từ ba trăm nghìn đến năm trăm triệu năm, chúng ta không biết Vũ trụ đang làm gì. Đó là khoảng thời gian chúng tôi xây dựng Webb để xem xét.
Khi nào những thiên hà đầu tiên hình thành? Có phải ở 200 triệu năm? 300 triệu năm? Đó là câu hỏi.
Điều đầu tiên chúng tôi biết mình cần làm là để JWST hoạt động trong vùng hồng ngoại. Bạn biết nơi các thiên hà phát ra hầu hết ánh sáng và bạn biết Vũ trụ đã kéo dài ánh sáng đó bao xa, vì vậy điều đó cho bạn biết bạn muốn tối ưu hóa bước sóng nào.
Đối với chúng tôi, đó là các bước sóng từ đỏ hơn một chút so với mắt có thể nhìn thấy đến khoảng 10 đến 20 micron. Vì vậy, điều đó cho bạn biết phạm vi bước sóng của bạn.
Bây giờ, vì những vật thể này rất mờ nên chúng tôi biết mình cần một chiếc gương lớn hơn và bạn có thể ước tính kích thước của chiếc gương bạn cần.
Một khi bạn biết hai điều đó, phần còn lại của thiết kế sẽ theo sau. Điều thú vị đối với chúng tôi là chiếc gương của chúng tôi lớn đến mức chúng tôi không thể lắp nó vào tên lửa khi chiếc gương chỉ là một mảnh.
Vì vậy, chúng tôi phải làm một chiếc kính viễn vọng có thể gập lại được, và chính đặc điểm đó của Webb đã khiến nó trở nên thú vị và hình dạng của nó mang tính biểu tượng.
Đúng. JWST là một kính viễn vọng phản xạ. Nó hoạt động giống như kính viễn vọng bạn mua và sử dụng ở đây trên Trái đất.
Có vẻ hơi khác một chút vì chúng tôi không có ống xung quanh Webb. Thay vào đó, chúng tôi có một tấm chắn nắng, mà bạn gần như có thể tưởng tượng nó giống như một cái dù che nắng.
Nó nằm ở một bên của đài quan sát đối diện với các nguồn sáng hồng ngoại, đối với chúng ta là Mặt trời, Trái đất và Mặt trăng, và sau đó kính thiên văn nhìn ra ngoài ít nhiều song song với chiếc dù đó.
Chúng tôi không cần một cái ống và bản thân cái ống đó sẽ có khối lượng lớn hơn khiến việc phóng trở nên khó khăn hơn.
Thay vào đó, chúng ta có cái gọi là gương trần này và nó cung cấp bốn dụng cụ khoa học, máy ảnh và máy quang phổ khác nhau.
Webb cần ở rất xa các nguồn ánh sáng hoặc nhiệt hồng ngoại. Và tất nhiên, Hubble chỉ cách Trái đất khoảng 300km nên quá gần nguồn hồng ngoại.
Vì vậy, chúng tôi sẽ định vị Webb cách Trái đất khoảng 1,5 triệu km tại cái gọi là L2 hoặc điểm Lagrange thứ hai.
Đây là những vị trí trong bất kỳ hệ quỹ đạo hai vật thể nào và được phát hiện vào cuối những năm 1700 bởi một nhà toán học người Ý gốc Pháp, Josephy-Louis Lagrange.
Nếu bạn đặt kính viễn vọng cách xa một triệu rưỡi km, thì nó cách xa các nguồn hồng ngoại, vì vậy bạn không bị chói cục bộ bởi ánh sáng hồng ngoại này và bạn có thể giữ tất cả chúng lại một bên.
Điều này có nghĩa là bạn chỉ cần tấm chắn nắng và bạn không cần ống.
Webb sẽ đi theo Trái đất trên quỹ đạo của nó quanh Mặt trời: nó không quay quanh Trái đất, nó quay quanh Mặt trời.
Nhiệt độ khôn ngoan, sẽ lành tính hơn nhiều khi ở L2.
Khi nó quay quanh Trái đất, JWST đi vào và ra khỏi bóng của Trái đất, do đó, nó tiếp xúc với Mặt trời, sau đó không tiếp xúc với Mặt trời, rồi lại tiếp xúc với Mặt trời. Nó trải nghiệm độ dốc nhiệt độ vì điều đó.
Nhưng ở L2, nhiệt độ của nó ổn định hơn nhiều. Vì vậy, theo một nghĩa nào đó, điều đó dễ dàng hơn đối với chúng tôi so với kính viễn vọng quay quanh Trái đất.
Tuy nhiên, nó không được bảo vệ bởi từ trường của Trái đất, và do đó, nó tiếp xúc nhiều hơn với bức xạ vũ trụ ngoài kia.
Về micrometeoroids, ít nhiều chúng ta cũng biết và có thể tính toán số lượng micrometeoroids dự kiến có kích thước nhất định sẽ va vào kính viễn vọng trong suốt thời gian tồn tại.
Khi chúng tôi thiết kế Webb, chúng tôi biết rằng chúng tôi phải xây dựng đủ khả năng ngay từ đầu trong sứ mệnh để khi kết thúc thời gian thực hiện sứ mệnh, chúng tôi vẫn có thể thực hiện khoa học của mình.
Bạn ít nhiều xây dựng nó tốt hơn một chút so với mức bạn cần khi bắt đầu để khi bạn tính đến bất kỳ vi thiên thạch nào, bạn vẫn có thể thực hiện khoa học của mình.
Điều quan trọng cần nhớ là trong khi mọi người đều biết về các nhiệm vụ bảo dưỡng Hubble, thì thực sự chỉ có một vệ tinh từng được chế tạo để bảo dưỡng, và đó là Hubble.
Tất cả các vệ tinh khác được chế tạo với giả định rằng bạn sẽ không bao giờ bảo dưỡng chúng, và trường hợp của Webb cũng vậy, chủ yếu là do chúng ta ở quá xa.
Ngày nay, chúng tôi không có khả năng đưa các phi hành gia đi xa như vậy và chúng tôi không có robot có thể sửa chữa, vì vậy chúng tôi phải xây dựng dự phòng cho thiết kế của Webb.
Chúng tôi đảm bảo rằng trong trường hợp động cơ phải triển khai mọi thứ, chúng tôi có nhiều cách để xử lý chúng bằng điện.
Điều này áp dụng cho tất cả các vệ tinh khác ngoài Hubble. Chúng tôi không xây dựng trong giả định rằng chúng tôi sẽ phục vụ nó.
Chúng tôi đảm bảo rằng chúng tôi đã kiểm tra nó trên mặt đất để xác minh rằng nó hoạt động và xây dựng dự phòng để chúng tôi không cần phải làm như vậy.
Vào thời điểm đó, khái niệm về kính viễn vọng và dịch vụ bảo dưỡng có mối liên hệ mật thiết với nhau. Theo một nghĩa nào đó, Tàu con thoi và Hubble đã kéo nhau theo khi chúng được phát triển.
Luôn có một cuộc tranh luận liệu việc chế tạo một chiếc Hubble khác có rẻ hơn thay vì bảo dưỡng nó hay không và đó là một suy đoán thú vị. Tôi không biết câu trả lời cuối cùng là gì.
Tôi nghĩ ngày nay chúng ta biết rằng công nghệ của chúng ta đã đủ tiên tiến để chúng ta không nhất thiết phải xây dựng khả năng phục vụ này. Thay vào đó, chúng ta có thể tích hợp các tính năng thông minh vào chính thiết bị.
Và Webb hơi đi xuống con đường đó, nhưng ngày nay bạn có thể tích hợp nhiều tính năng thông minh hơn nữa vào tàu vũ trụ của mình. Ví dụ, bạn có thể tưởng tượng một ngày nào đó thậm chí tàu vũ trụ tự phục hồi.
Bạn có thể tưởng tượng điều đó trong phần mềm, nhưng tôi thậm chí còn suy nghĩ, suy đoán xa hơn, về những vật liệu có thể tự chữa lành vết thương.
Nói cách khác, nó có thể nhận ra rằng nó có tác động vi thiên thạch và nó cần phải tự sửa chữa nơi đã xảy ra.
Sẽ dễ dàng hơn nhiều để làm điều đó trên các cấu trúc không phải là quang học. Tôi nghĩ quang học tự phục hồi có lẽ còn xa hơn một chút.
Tôi không biết có chương trình nghiên cứu hiện tại nào đặc biệt xem xét vấn đề đó không, nhưng NASA có một tổ chức tên là NASA Innovative Advanced Concepts, tổ chức này có xu hướng xem xét những ý tưởng thực sự xa vời như thế, chỉ để hỏi liệu có điều gì thực sự hợp lý không trong lĩnh vực đó
Và mọi người cực kỳ thông minh, vì vậy mặc dù bây giờ nó nghe giống như khoa học viễn tưởng, nhưng một ngày nào đó điều đó sẽ trở thành sự thật khoa học.
Ngoại hành tinh là một lĩnh vực mà mọi người đang rất quan tâm ngay bây giờ. Và khi Webb thực sự được bắt đầu, chúng tôi biết chính xác 2 ngoại hành tinh vào thời điểm đó.
Nhưng bây giờ tất nhiên có hàng ngàn và chúng ta biết hàng chục thứ giống như Trái đất và đủ gần để Webb sẽ được sử dụng để quan sát bầu khí quyển của chúng bằng phương pháp quang phổ chuyển tiếp.
Đây là khi chúng ta quan sát khi một ngoại hành tinh đi qua giữa chúng ta và ngôi sao chủ của nó và chúng ta đo quang phổ ánh sáng của ngôi sao với hành tinh ở phía trước nó, và sau đó khi hành tinh không ở phía trước nó.
Bạn có thể sử dụng phương pháp này để biết có gì trong bầu khí quyển của hành tinh đó, nếu nó có bầu khí quyển.
Chúng tôi sẽ tìm kiếm những thứ như nước, khí mê-tan và các loại hóa chất khác có thể cho thấy khả năng sinh sống của các ngoại hành tinh đó.
Đó là điều mà chúng tôi đã biết rằng mọi người đang đề xuất thực hiện với Webb vì nó là kính thiên văn hồng ngoại.
Nó cũng sẽ được sử dụng để quan sát bên trong các đám mây bụi vũ trụ nơi các ngôi sao đang hình thành trong Thiên hà của chúng ta, giống như trong Tinh vân Orion.
Ánh sáng hồng ngoại xuyên qua những đám mây bụi chặn ánh sáng khả kiến này, và vì vậy chúng ta biết rằng sẽ có những chương trình nghiên cứu sự ra đời của các ngôi sao trong những đám mây này.
Cuối cùng, vì ít nhiều chúng ta có thể thấy toàn bộ lịch sử hình thành thiên hà, nên chúng ta có thể xem Vũ trụ tập hợp các thiên hà trong thời gian vũ trụ, nghĩa là bạn có được bức tranh toàn cảnh về gia đình, từ ảnh em bé đến ảnh ông bà.
Trong trường hợp năng lượng tối, các nhà thiên văn học có thể sẽ sử dụng hoặc họ sẽ đề xuất sử dụng Webb để giúp chúng ta đo lường hằng số Hubble tốt hơn.
Ngay bây giờ có một cuộc tranh cãi giữa hằng số Hubble được đo thông qua nền vi sóng và thông qua các nghiên cứu siêu tân tinh.
Vì vậy, mọi người sẽ sử dụng Webb để giúp trả lời hoặc giải quyết sự khác biệt đó.
Trong trường hợp vật chất tối, nó sẽ lại xem xét nhiều thiên hà trong thời gian vũ trụ và xem xét các đường cong quay của chúng để xem chúng sẽ chứa bao nhiêu vật chất tối và liệu điều đó có cho chúng ta biết điều gì khác với những gì chúng ta biết khi chỉ thực hiện các nghiên cứu về ánh sáng khả kiến hay không. .
Có, chúng tôi đã thiết kế JWST để giới hạn nhiễu xạ ở mức 2 micrômét, nghĩa là ảnh chúng tôi chụp ở vùng hồng ngoại gần sẽ trông sắc nét như ảnh chụp từ Hubble.
Hubble đã được tối ưu hóa cho khoảng nửa micron. Khi bạn đặt chúng cạnh nhau, chúng sẽ sắc nét như nhau.
Nhưng họ sẽ cho chúng ta biết về các khía cạnh khác nhau của vật lý bởi vì chúng ta đang xem xét ánh sáng khả kiến trong một trường hợp và ánh sáng hồng ngoại trong một trường hợp khác.
Đó là cùng một chi tiết sắc nét, nhưng nhìn vào những thứ hơi khác nhau. Vì vậy, nó sẽ rất hấp dẫn.
Chà, đây chắc chắn là khoảng thời gian thú vị đối với mọi người trên thế giới trong nhiều trường hợp phải làm việc tại nhà.
Tại Northrup Grumman ở Nam California, tại Cơ sở Công viên Không gian của họ, nơi hiện đang có phần cứng, công việc tích hợp và thử nghiệm đang tiếp tục, lưu ý đến giãn cách xã hội và các loại cân nhắc khác mà chúng tôi phải tính đến. Vì vậy, họ đang tiến bộ ở đó.
Những người ở Viện Khoa học Kính viễn vọng Không gian, Cơ quan Vũ trụ Châu Âu và Cơ quan Vũ trụ Canada: rất nhiều người trong số họ đang làm việc tại nhà.
Và có một số công việc bạn có thể làm tại nhà, một số công việc phát triển phần mềm và xử lý công việc giấy tờ, những việc mà bạn nhận được một chút khi kết thúc nhiệm vụ.
Vì vậy, công việc đang tiếp tục, mặc dù không ở cùng tốc độ như nó sẽ xảy ra.
Tất nhiên, chúng tôi phải tính đến các tác động của coronavirus và khi chúng tôi vượt qua được vấn đề này ở đầu bên kia, chúng tôi sẽ đánh giá lịch trình của mình và xem mọi thứ diễn ra như thế nào.
Nhưng điều quan trọng cần nhớ là công việc vẫn đang tiến triển ngay bây giờ. Tất cả chúng ta đều ở đây. Nhiều người trong chúng tôi đã làm việc trong nhiều năm với nó, và hiện tại chúng tôi đang ở rất gần, vì vậy chúng tôi rất phấn khích.
Bài viết này ban đầu xuất hiện trong số tháng 5 năm 2020 của Tạp chí BBC Sky at Night .