Kính viễn vọng Không gian Spitzer đã dành phần lớn thời gian trong hai thập kỷ để quét Vũ trụ bằng tia hồng ngoại, tiết lộ những bí mật của vũ trụ với chế độ xem độc đáo về các vùng hình thành sao và các thiên hà cổ đại.
Nhưng câu chuyện về di sản của Kính viễn vọng Không gian Spitzer còn xa hơn nữa.
Ngay sau Chiến tranh thế giới thứ hai, một nhà vật lý trẻ từ Đại học Yale đã công bố một báo cáo nêu rõ những lợi ích của việc đưa kính viễn vọng vào không gian.
Ông viết, vượt xa hiệu ứng làm mờ của bầu khí quyển Trái đất, nó có thể phân biệt các ngôi sao mờ nhất và các thiên hà xa nhất với độ trong như pha lê.
Bài báo năm 1946 của ông đã minh họa sự đánh giá cao ngày càng tăng đối với việc du hành vũ trụ – vẫn còn một thập kỷ nữa mới trở thành hiện thực – có thể cách mạng hóa ngành thiên văn học. Tên anh ta là Lyman Strong Spitzer.
Đọc thêm về Kính viễn vọng Không gian Spitzer:
Kính viễn vọng hồng ngoại mang tên ông đã làm thay đổi hiểu biết của chúng ta về cách các ngôi sao sinh ra và chết đi, cách các hành tinh phát triển và phát triển vượt xa Hệ Mặt trời và những gì nằm ở trung tâm của Dải Ngân hà của chúng ta.
Tên của Spitzer không đơn giản được lấy ra từ một chiếc mũ, khi NASA quyết định rằng đài thiên văn mới lấp lánh của họ cần một cái tên hấp dẫn hơn so với ‘Cơ sở Kính viễn vọng Hồng ngoại Không gian’ (SIRTF) khó sử dụng mà nó đã tạo ra kể từ khi thành lập hai thập kỷ trước.
Ngoài việc là một trong những nhà thiên văn học hàng đầu trong thế hệ của mình, Spitzer (mất năm 1997, thọ 82 tuổi) đã đóng góp rất nhiều cho việc nghiên cứu môi trường giữa các vì sao, khí và bụi phổ biến mà từ đó các ngôi sao mới hình thành và sự nhiệt tình của ông đối với một vòng quanh Trái đất. kính thiên văn cuối cùng đã giành được sự hỗ trợ cho Kính viễn vọng Không gian Hubble.
Hubble là một trong bốn ‘đài quan sát vĩ đại’ để quan sát bầu trời một cách chi tiết; một trạm khác, Đài quan sát tia Gamma Compton, kiểm tra các photon năng lượng cao, trong khi trạm thứ ba, Đài quan sát tia X Chandra, cũng làm như vậy đối với tia X.
Người anh em cuối cùng, SIRTF, ban đầu được thiết kế để bay trên Tàu con thoi. Nhưng môi trường tương đối ‘bẩn’ của tàu vũ trụ có thể tái sử dụng – liên tục phát ra hơi, hạt và nhiệt – khiến nó không phù hợp với quang học hồng ngoại nhạy cảm có lý do phát hiện bức xạ nhiệt.
Các kế hoạch thay đổi tương ứng và SIRTF đã phát triển thành một vệ tinh quay quanh quỹ đạo có mức độ ưu tiên cao trong lĩnh vực thiên văn học trên không gian.
Nhưng nó cũng đắt khủng khiếp. Nhiều kịch bản khác nhau để phóng nó trên các tên lửa Titan, Atlas hoặc Delta có nguy cơ làm giảm tính toàn vẹn về mặt khoa học của nó và chi phí của nó lên tới khoảng hai tỷ đô la, cao gấp bốn lần so với số tiền mà NASA muốn chi tiêu trong những năm tài chính eo hẹp của thập niên 1990.
Sau đó là một bước đột phá. Bằng cách đưa SIRTF vào quỹ đạo ‘đi theo Trái đất’, nó sẽ trôi ra xa chúng ta 14,9 triệu km mỗi năm, tự loại bỏ hiệu ứng nhiệt tiêu cực của hành tinh chúng ta trên các cảm biến của nó và giành được lời khen ngợi của NASA và nhà thầu chính Ball Aerospace vì đã cứu hàng trăm của hàng triệu đô la.
Thiên văn học hồng ngoại đã được thực hiện trong hai thế kỷ, mặc dù nó chỉ được khám phá một cách thưa thớt cho đến gần đây.
Kính viễn vọng trên khinh khí cầu tầm cao, máy bay và tên lửa âm thanh hiếm khi có thể đủ cao để thực hiện các quan sát hiệu quả.
Nhưng vào năm 1983, Vệ tinh Thiên văn Hồng ngoại (IRAS) đã tìm thấy 350.000 vật thể mới và lần đầu tiên nhìn vào trung tâm rực lửa của Dải Ngân hà của chúng ta.
Nhu cầu về các nhiệm vụ hồng ngoại nhanh chóng đạt được sức hút. Vào giữa những năm 1990, Đài quan sát không gian hồng ngoại (ISO) đã phát hiện ra hơi nước trong các vùng hình thành sao và các hành tinh phôi đang phát triển xung quanh tàn dư của các ngôi sao đang chết dần.
Gần đây hơn, Kính viễn vọng Không gian Herschel đã làm sáng tỏ cách các ngôi sao được sinh ra và tiết lộ rằng phần lớn nước trên Trái đất có thể bắt nguồn từ sao chổi; thực sự, nó chứng minh rằng Comet Shoemaker–Levy 9 đã đưa nước vào bầu khí quyển của Sao Mộc.
Các sứ mệnh Khảo sát hồng ngoại trường rộng (WISE) và AKARI cũng tìm thấy hàng nghìn sao chổi mới, tiểu hành tinh trojan gần Trái đất đầu tiên và ‘dấu vân tay’ hồng ngoại của siêu tân tinh, cách xa 200.000 năm ánh sáng, sâu bên trong Đám mây Magellan Nhỏ.
Để đạt được độ nhạy nhiệt trong vùng hồng ngoại, kính thiên văn cần làm mát hệ thống quang học của chúng, để các phép đo của chúng không bị nhiễm nhiệt bức xạ từ Trái đất hoặc thiết bị điện tử của chính chúng.
Bộ điều nhiệt lớn bằng helium lỏng có thể thực hiện được điều này, nhưng khi chất làm lạnh cạn kiệt, kính viễn vọng sẽ nhanh chóng nóng lên, độ nhạy của nó đối với bức xạ hồng ngoại nhiệt giảm và hiệu quả của nó biến mất.
Quỹ đạo quay quanh Trái đất của Spitzer đã loại bỏ vấn đề về sức nóng của hành tinh chúng ta và đặt nền móng cho một cuộc cách mạng tiết kiệm chi phí khác: kiến trúc sứ mệnh ‘phóng ấm’.
Thay vì bọc toàn bộ tàu vũ trụ vào một bộ phận làm lạnh – và tăng kích thước, trọng lượng và chi phí khởi động – chỉ cần làm lạnh các cảm biến hồng ngoại của Spitzer trước khi phóng.
Phần còn lại có thể được chế tạo và thử nghiệm ở nhiệt độ môi trường xung quanh. Điều này làm cho nó đơn giản hơn, rẻ hơn và ít phức tạp hơn, đồng thời cho phép nó lắp một tên lửa Delta II nhỏ hơn và mang theo một bộ điều nhiệt nhỏ hơn.
Và khi nó đến không gian sâu thẳm, không cần lo lắng về Trái đất tỏa nhiệt, Mẹ Thiên nhiên (và một tấm che nắng tích hợp) có thể làm mát nó một cách thụ động xuống -271°C.
Kết quả là trong khi IRAS quay quanh Trái đất cần 114 gallon helium lỏng để giữ mát và kéo dài 10 tháng, thì Spitzer mang theo 95 gallon nhưng có thể tồn tại trong nhiều năm.
Sự lựa chọn thông minh về quỹ đạo và kiến trúc phóng ấm đã khiến chi phí dự án giảm xuống còn 800 triệu đô la, trong khi những tiến bộ công nghệ song song cho thấy các cảm biến hồng ngoại phát triển từ vài chục pixel trên mỗi máy dò trên IRAS lên 65.000 pixel trên mỗi máy dò trên Spitzer.
Ngoài ra, tàu vũ trụ được chế tạo từ beryllium nhẹ, nguội đi nhanh chóng và phương pháp truyền dữ liệu ‘lưu trữ và kết xuất’ có nghĩa là nó mất ít thời gian hơn để chuyển các phát hiện của mình về nhà và có nhiều thời gian hơn để thực hiện nghiên cứu khoa học.
Được phóng từ Mũi Canaveral vào ngày 25 tháng 8 năm 2003, chiếc kính thiên văn nặng 865kg đã vượt qua các cuộc kiểm tra ban đầu và ba thiết bị của nó – Máy quang phổ hồng ngoại (IRS) và Quang kế hình ảnh đa dải cho Spitzer (MIPS), cả hai đều được chế tạo bởi Ball Aerospace, cùng với thiết bị hồng ngoại bốn kênh của NASA. Array Camera (IRAC) – trở nên sống động.
Trong 16 năm tiếp theo, Spitzer đã nâng cao hiểu biết của chúng ta về cách các ngôi sao và hành tinh hình thành, bao gồm cả những thế giới ‘ngoài hệ mặt trời’ xa xôi.
Nó đã tìm thấy những ngôi sao mới sinh trong Tinh vân Tarantula và Trifid, tiết lộ những ngôi sao sơ sinh đang phát triển trong tàn dư siêu tân tinh và cho thấy rằng ngay cả những ngôi sao đã chết từ lâu như Cassiopeia A vẫn tạo ra những vụ nổ năng lượng định kỳ.
Nó đã phát hiện ra những lỗ đen siêu lớn ẩn mình trong những đám mây khí và bụi phát sáng, nghiên cứu sự hợp nhất của các thiên hà Antennae và dưới cái nhìn hồng ngoại của nó, hàng trăm nghìn ngôi sao cổ đại và những ngôi sao trẻ hơn đang bùng cháy dữ dội ở lõi Dải Ngân hà.
Nó lần theo dấu vết của một số sự kiện cổ xưa nhất kể từ buổi bình minh của sự sáng tạo, với GN-z11 trong chòm sao Đại Hùng hiện được công nhận là thiên hà lâu đời nhất và xa nhất được biết đến trong Vũ trụ quan sát được, có niên đại khoảng 13,4 tỷ năm, không lâu sau Thiên hà Lớn. Bằng.
Spitzer đã tìm thấy bằng chứng về các chất hữu cơ ở dạng hydrocacbon thơm đa vòng có tuổi đời hàng tỷ năm so với Hệ Mặt trời của chúng ta, cũng như một phần thành phần của DNA và protein xung quanh ngôi sao IRS 46.
Nó chỉ ra rằng các hành tinh tiến hóa xung quanh những vật chủ khó có thể xảy ra nhất, bao gồm các sao lùn nâu và các ngôi sao siêu khổng lồ nơi mà các điều kiện trước đây được coi là quá khắc nghiệt.
Và Spitzer đã nhấn mạnh chính xác mức độ khắc nghiệt của những thế giới ngoài hệ mặt trời này.
Nó đo trực tiếp ánh sáng phát ra từ ‘Sao Mộc nóng’ HD 209458b và TrES-1, cho thấy nhiệt độ bề mặt là 840°C và sức gió 9.650 km/h trên HD 189733b.
Nó cho thấy hành tinh bị khóa thủy triều Upsilon Andromedae b có chênh lệch nhiệt giữa hai bán cầu của nó là 1.400°C – một nơi địa ngục mà một nhà khoa học ví như nhảy vào núi lửa.
Tàu vũ trụ đã xác định rằng các đĩa tiền hành tinh có thể làm chậm quá trình quay của ngôi sao mẹ của chúng, nhận thấy láng giềng gần của Mặt trời là Epsilon (ε) Eridani không chỉ có một mà là hai vành đai tiểu hành tinh, và nâng cao khả năng có nhiều thế giới trong Vũ trụ có hai mặt trời, chỉ như ngôi nhà Chiến tranh giữa các vì sao của Luke Skywalker, Tatooine.
Vào tháng 5 năm 2009, chất làm mát của Spitzer hết và nhiệt độ tăng lên –242°C: vẫn lạnh, nhưng không đủ lạnh để IRS và MIPS hoạt động.
Tuy nhiên, hai kênh bước sóng ngắn của IRAC vẫn hoạt động và NASA đã hiệu chỉnh lại tàu vũ trụ cho một sứ mệnh ‘ấm’ kéo dài.
Trong một thập kỷ nữa, cơn lũ khám phá vẫn tiếp tục: tìm ra vành đai Phoebe mong manh của Sao Thổ, xem xét kỹ lưỡng ngoại hành tinh đá HD 219134b, khám phá vật thể xuyên sao Hải Vương Sedna và quan sát các thế giới có kích thước bằng Trái đất trong khu vực ‘Goldilocks’ có thể ở được xung quanh sao lùn đỏ lạnh TRAPPIST- 1.
Nhưng khi quỹ đạo của nó đưa nó ra xa Trái đất hơn – cách xa hơn 257 triệu km khi năm 2019 kết thúc – Spitzer già cỗi phải di chuyển ở các góc cao hơn để truyền dữ liệu với lượng ánh sáng mặt trời tới trên các tấm pin mặt trời của nó giảm tương ứng.
Vào ngày 30 tháng 1 năm 2020, khi nhiệm vụ của nó kết thúc, nhóm Spitzer có thể tự hào phản ánh về một con tàu vũ trụ đã tăng gấp ba lần tuổi thọ dự đoán của nó và vượt quá mọi mong đợi một cách vô hạn.
Và giống như bản thân Lyman Strong Spitzer, người có cuộc sống phi thường đã kết thúc sau một ngày làm việc bình thường, vì vậy cỗ máy cơ giới trùng tên với ông sẽ ghi tên mình vào lịch sử một cách vinh quang và trang trọng.
Khi Spitzer im lặng vào tháng 1 năm 2020, một năm nữa sẽ trôi qua trước khi dùi cui khám phá tia hồng ngoại chuyển đến Kính viễn vọng Không gian James Webb của NASA.
Người ta hy vọng rằng những ngày đầu của Webb trong không gian sẽ vui vẻ trùng với những ngày cuối cùng của Spitzer, nhưng những rắc rối kỹ thuật đã âm mưu chống lại sự chồng chéo gọn gàng giữa chúng.
Sự ra mắt của Webb hiện được lên kế hoạch vào tháng 3 năm 2021 và khi đó, nó sẽ mang theo bốn thiết bị hồng ngoại mạnh mẽ để giải quyết một số vấn đề hóc búa nhất trong thiên văn học.
Nó sẽ quan sát các ngôi sao và thiên hà sớm nhất, nghiên cứu cách chúng và các hành tinh của chúng phát triển và, trong trường hợp Hệ Mặt trời của chúng ta, cách các thành phần cho sự sống đến đây.
Đài quan sát hồng ngoại Euclid của Châu Âu sẽ theo dõi vào tháng 6 năm 2022 và tìm cách nhìn lại hơn 13,5 tỷ năm để điều tra cách Vũ trụ mở rộng và cách các thiên hà đầu tiên hình thành.
Nó sẽ quan sát hàng tỷ nguồn thiên văn với độ chính xác cao gấp 50 lần so với các thiết bị trên mặt đất hiện có thể đạt được.
Và vào giữa những năm 2020, Kính viễn vọng Khảo sát Hồng ngoại Trường Rộng của NASA (WFIRST) – mà số phận của nó vẫn phụ thuộc vào lưỡi dao sau những nỗ lực hủy bỏ nó của chính quyền Trump – sẽ hoạt động song song với Euclid để giải quyết các câu hỏi cơ bản về năng lượng tối trong vũ trụ. vũ trụ, cũng như thực hiện một cuộc điều tra về các ngoại hành tinh và thu được những hình ảnh và quang phổ trực tiếp đầu tiên của chúng.
Bài viết này ban đầu xuất hiện trong số tháng 1 năm 2020 của Tạp chí BBC Sky at Night . Ben Evans là một nhà báo và nhà văn không gian.
Tiến sĩ Michael Werner là nhà khoa học hàng đầu trong sứ mệnh của Kính viễn vọng Không gian Spitzer từ năm 1984 và cuốn sách của ông, More Things In The Heavens , tiết lộ tầm quan trọng của thiên văn học hồng ngoại đối với việc nâng cao hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.
Tạp chí BBC Sky at Night đã nói chuyện với Tiến sĩ Werner để thảo luận về các giá trị của thiên văn học hồng ngoại và di sản của Kính viễn vọng Không gian Spitzer.
Những khó khăn kỹ thuật trong việc phát hiện bức xạ hồng ngoại đã khiến thiên văn học hồng ngoại bị tụt hậu so với các nghiên cứu về Vũ trụ ở bước sóng khả kiến.
Công việc hồng ngoại bắt đầu một cách nghiêm túc vào những năm 1960 bằng cách sử dụng các thiết bị trên các kính viễn vọng lớn trên mặt đất, chẳng hạn như kính viễn vọng 200 inch nổi tiếng ở Núi Palomar.
Những người khác gửi kính viễn vọng vào bầu khí quyển trên khinh khí cầu hoặc máy bay bay cao.
Mặc dù trước đó đã có rất nhiều công việc quan trọng, nhưng tôi nghĩ rằng chính cuộc khảo sát toàn bộ bầu trời của IRAS vào năm 1983 đã thực sự cho toàn bộ cộng đồng thấy sức mạnh của tia hồng ngoại đối với việc điều tra thiên văn.
IRAS đã đạt được mức độ nhạy trên toàn bộ bầu trời trong hồng ngoại mà trước đây chỉ đạt được trên một số khu vực rất hạn chế, lập danh mục hàng trăm nghìn nguồn trong hồng ngoại.
Chúng bao gồm các ngôi sao đang hình thành, các thiên hà, các vật thể thuộc dãy hậu chính, v.v.
Việc IRAS phát hiện ra các đĩa bụi xung quanh các ngôi sao dãy chính, hiện được biết đến là tín hiệu của các hệ thống ngoại hành tinh xung quanh các ngôi sao này, đã báo trước sự bùng nổ to lớn của nghiên cứu về các ngoại hành tinh đã trở thành sở trường của Spitzer.
Chúng tôi từng tóm tắt thiên văn học hồng ngoại là “cũ kỹ, lạnh lẽo và bẩn thỉu”.
Cái “cũ” do sự giãn nở của vũ trụ làm dịch chuyển ánh sáng từ các vật thể ở xa sang vùng hồng ngoại. Đây là một trong những ánh sáng lâu đời nhất trong Vũ trụ vì nó đã di chuyển về phía chúng ta hàng tỷ tỷ năm.
Cái “lạnh” bởi vì trong tia hồng ngoại, chúng ta có thể nhìn thấy các vật thể quá lạnh để phát ra nhiều ánh sáng khả kiến.
Trong thực tế, điều này có nghĩa là lạnh hơn ~2000K hoặc hơn và bao gồm các sao lùn nâu, vật chất liên sao hoặc ngoại vi, các hành tinh và ngoại hành tinh.
“Bẩn” vì phần lớn ánh sáng hồng ngoại mà chúng ta nhìn thấy được bức xạ bởi các hạt bụi giữa các vì sao và bụi bao quanh các vì sao, và cũng bởi vì các đám mây bụi mờ đục ở các bước sóng khả kiến có thể khá trong suốt trong vùng hồng ngoại.
Spitzer bắt đầu hoạt động vào đầu những năm 1970 với tư cách là một trọng tải kèm theo được đề xuất để hoạt động từ khoang của Tàu con thoi và quay trở lại Trái đất sau vài tuần để bổ sung và lắp đặt các thiết bị mới.
Quá trình phát triển của nó từ khái niệm này thành hệ thống nhỏ gọn, thanh lịch đã hoạt động từ quỹ đạo mặt trời trong hơn 15 năm thực sự quanh co và thường khó khăn.
Điều khiến chúng tôi tiếp tục và làm cho tất cả đều đáng giá là khả năng đạt được rất lớn mà chúng tôi đã hình dung [và nhận ra] từ việc đưa các mảng máy dò hồng ngoại vào không gian trên kính viễn vọng lạnh.
Một cột mốc quan trọng trên đường đi là việc chỉ định Spitzer là sứ mệnh không gian mới có mức độ ưu tiên cao nhất theo đánh giá thập kỷ 1990 về các ưu tiên đối với thiên văn học và vật lý thiên văn của Hoa Kỳ.
Đầu tiên là việc xác định bảy ngoại hành tinh có kích thước bằng Trái đất – các hành tinh quay quanh các ngôi sao bên ngoài Hệ Mặt trời của chúng ta – quay quanh cùng một ngôi sao đỏ mờ hiện được gọi là TRAPPIST-1.
Ba trong số các ngoại hành tinh này nằm trong ‘vùng có thể ở được’, khu vực xung quanh ngôi sao này nơi nước sẽ ở dạng lỏng trên bề mặt của một hành tinh đá, được cho là điều kiện tiên quyết để hình thành sự sống như chúng ta biết trên Trái đất.
Thứ hai là việc xác định và mô tả đặc điểm (thường là cùng với Kính viễn vọng Không gian Hubble) của các thiên hà rất xa mà chúng ta thấy khi Vũ trụ đang phát triển chỉ bằng 3% so với tuổi hiện tại và khoảng 8% kích thước hiện tại của nó.
Tôi nghĩ rằng hầu hết các nhà khoa học Spitzer sẽ đồng ý về điều trên; vượt quá sự lựa chọn cá nhân đang diễn ra.
Cá nhân tôi thích việc phát hiện ra một vành đai khổng lồ mới xung quanh Sao Thổ; việc xác định phân tử C60 hay ‘buckyball’ trong không gian; các phép đo gió và nghiên cứu các quá trình vận chuyển năng lượng trong bầu khí quyển của các ngoại hành tinh; xác định rằng sự hình thành hành tinh đang diễn ra trong vòng vài triệu năm kể từ sự sụp đổ ban đầu của một ngôi sao đang hình thành; và chỉ ra nhiều điểm tương đồng – về thành phần, kiến trúc và các quá trình động – giữa Hệ Mặt trời của chúng ta và các hệ ngoại hành tinh.
Điều này cho phép những hiểu biết sâu sắc từ Hệ Mặt trời của chúng ta được sử dụng trong nghiên cứu về các hệ thống ngoại hành tinh và ngược lại.
Spitzer đã cho phép nghiên cứu lịch sử vũ trụ về sự hình thành sao từ những kỷ nguyên sớm nhất có thể quan sát được cho đến ngày nay.
Tiến sĩ Michael Werner là Nhà khoa học Dự án Kính viễn vọng Không gian Spitzer và Nhà khoa học trưởng về Thiên văn học và Vật lý tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực, Viện Công nghệ California.