Việc nhận ra rằng ánh sáng có thể chứa đựng thông tin về các thiên thể là nhờ công của nhà sản xuất thủy tinh người Đức Joseph von Fraunhofer. Vào năm 1814, ông đã phân tán ánh sáng của Mặt trời thành cầu vồng có nhiều màu sắc – được gọi là quang phổ – khám phá ra nhiều vạch hấp thụ tối mà sau đó được phát hiện là phản bội thành phần của ngôi sao của chúng ta.
Với sự phát triển tiếp theo của kính quang phổ để xem – và máy quang phổ để ghi lại – quang phổ thiên thể và các vạch mà chúng chứa, các nhà thiên văn học đã có phương tiện để kiểm tra cấu tạo của các ngôi sao.
Kể từ những ngày đầu đó, quang phổ học và máy quang phổ đã là một phần không thể thiếu trong nghiên cứu thiên văn, giúp các nhà thiên văn học hiểu biết sâu sắc không chỉ về thành phần của các vật thể ở xa mà còn cả nhiệt độ, khoảng cách và thậm chí cả chuyển động của chúng.
Chìa khóa để hiểu tại sao quang phổ học là một công cụ đáng gờm đối với các nhà thiên văn học là biết được điều gì tạo ra các đặc điểm của quang phổ.
Đọc thêm về quang phổ:
Bạn có thể coi các vạch trong quang phổ thiên văn giống như dấu vân tay thiên thể, ở chỗ chúng có thể giúp các nhà khoa học tìm ra nguyên tử và phân tử nào đã tạo ra chúng.
Những ‘dấu vân tay’ này có hai dạng, vạch hấp thụ và vạch phát xạ. Trước tiên hãy xem xét các đường hấp thụ.
Các vật thể như các ngôi sao tạo ra cái được gọi là quang phổ liên tục. Nếu chúng ta chỉ nghĩ về phần ánh sáng nhìn thấy được của quang phổ điện từ, thì quang phổ liên tục trông giống như một cầu vồng màu liên tục từ tím ở đầu này sang đỏ ở đầu kia.
Tuy nhiên, khi quan sát các ngôi sao trong dải liên tục này, chúng ta thấy các vạch tối, giống như những vạch mà Fraunhofer đã nhìn thấy trong quang phổ của Mặt trời. Đây là những dòng hấp thụ.
Chúng được tạo ra khi các photon ánh sáng đi qua bầu khí quyển của ngôi sao tương tác với các electron trong khí ở đó.
Các electron này có thể hấp thụ năng lượng của photon, loại bỏ các bước sóng nhất định khỏi vùng liên tục. Cái nào bị loại bỏ phụ thuộc vào các nguyên tử hoặc phân tử có mặt.
Bằng cách xác định các vạch tối trong quang phổ, các nhà thiên văn học có thể xác định thành phần khí quyển của ngôi sao.
Trong các dòng phát xạ, bạn thấy điều ngược lại. Ví dụ, các photon từ một ngôi sao sáng có thể khiến một tinh vân gần đó phát sáng.
Khi điều này xảy ra, các photon từ ngôi sao cung cấp năng lượng, hoặc ‘kích thích’, các electron trong khí của tinh vân.
Những electron đó cuối cùng sẽ lắng xuống và chúng làm điều này bằng cách giải phóng năng lượng dưới dạng một photon ánh sáng.
Bước sóng của các photon phát ra cho biết nguyên tử hoặc phân tử đang phát sáng.
Nếu bạn có thể quan sát ánh sáng từ tinh vân bằng kính quang phổ, bạn sẽ thấy một loạt các vạch mỏng, sáng có màu sắc khác nhau – đây là các vạch phát xạ.
Hai thế kỷ sau các nghiên cứu của Fraunhofer, các nhà thiên văn học đã sẵn sàng cho một thế hệ máy quang phổ mới để khám phá Vũ trụ, những thứ tương tự chưa từng thấy trước đây.
Dưới ánh đèn rực rỡ của phòng sạch High Bay trong hang động tại Trung tâm Chuyến bay Không gian Goddard của NASA ở Maryland, Kính viễn vọng Không gian James Webb đang dần hình thành.
Hàng rào cắt kéo màu vàng ngăn cách cẩn thận các khu vực của căn phòng sàn trắng tinh tươm, nơi các dụng cụ và cấu trúc khác nằm trên các giá đỡ chắc chắn.
Ở trên cao, trên một giàn khổng lồ, mỗi trong số 18 phân đoạn gương chính của kính viễn vọng được bảo vệ trong các hộp kim loại lớn được đánh bóng.
Dần dần, các thành phần đang được thử nghiệm tỉ mỉ và cuối cùng được tích hợp vào khung của kính thiên văn, trước khi ra mắt theo kế hoạch vào năm 2018.
Ngồi trong góc riêng của phòng sạch Goddard, NIRSpec – Máy quang phổ cận hồng ngoại – chỉ là một trong bốn thiết bị sẽ bay trên James Webb.
Như với tất cả các thiết bị của kính viễn vọng, nó sẽ tập trung vào việc quan sát Vũ trụ ở bước sóng hồng ngoại.
Để hiểu tại sao, bạn chỉ cần nhìn vào công trình tiền thân của James Webb, Kính viễn vọng Không gian Hubble.
Hubble đã xuất sắc nghiên cứu các thiên hà xa xôi cũng như các hành tinh ngoài hệ mặt trời và cách chúng hình thành bên trong những đám mây bụi và khí khổng lồ.
Nhưng để nhìn xa hơn vào Vũ trụ và sâu hơn vào các tinh vân, bạn cần nhìn thấy vũ trụ ở bước sóng dài hơn nhiều, nhà khoa học thiết bị NIRSpec James Muzerolle cho biết.
Ông nói: “Các quan sát cận hồng ngoại và trung hồng ngoại cho phép chúng tôi thâm nhập vào môi trường bụi bặm rất quan trọng để nghiên cứu sự hình thành sao và hành tinh.
Sử dụng NIRSpec, các nhà thiên văn học cũng sẽ có thể nghiên cứu ánh sáng từ một số thiên hà xa nhất và do đó sớm nhất.
Ánh sáng đã được kéo dài khi nó đi qua Vũ trụ đang mở rộng. Muzerolle giải thích: “Ánh sáng mà chúng tôi sẽ đo bằng kính thiên văn của mình sẽ là ánh sáng ban đầu chủ yếu ở vùng cực tím [phần của quang phổ] đã bị dịch chuyển đỏ thành vùng cận hồng ngoại.
“Bạn phải có khả năng xem xét các bước sóng dài hơn trong [vùng] cận hồng ngoại để có thể phát hiện ra [các thiên hà].”
Giống như tất cả các máy quang phổ, NIRSpec sẽ phân tách ánh sáng của các thiên thể thành các quang phổ có các đặc điểm, chẳng hạn như các vạch hấp thụ tối, có thể cho các nhà thiên văn biết nhiều điều về những gì họ đang quan sát.
Nhưng sức mạnh to lớn của NIRSpec sẽ là khả năng thực hiện cái được gọi là quang phổ đa vật thể.
“Với một máy quang phổ truyền thống, bạn có một khe, nói chung, chỉ đủ lớn để đặt lên một vật thể, chẳng hạn như một ngôi sao. Muzerolle giải thích rằng bạn phải đi từng bước một để xây dựng một mẫu quang phổ lớn của nhiều ngôi sao khác nhau.
NIRSpec sẽ có thể chụp quang phổ của khoảng một trăm thiên thể, chẳng hạn như các ngôi sao hoặc các thiên hà mờ nhạt, trong một lần chụp.
Nó có thể làm được điều này nhờ vào một phần công nghệ tiên tiến được gọi là mảng màn trập vi mô.
Muzerolle nói: “Ngay cả trên mặt đất cũng không có nhiều thiết bị sử dụng loại công nghệ này.
Về bản chất, vai trò của mảng màn trập vi mô là cố tình chặn phần lớn trường nhìn của NIRSpec.
Ánh sáng từ gương 6,5m của JWST sẽ được đưa vào NIRSpec thông qua một hệ thống quang học phức tạp. Nhưng trước khi nó đến được cách tử của thiết bị, nơi phân tán ánh sáng thành quang phổ, trước tiên nó sẽ chạm trán với mảng.
Ở đây, một bảng gồm khoảng một phần tư triệu cửa siêu nhỏ, hay ‘cửa chớp’, có thể được lập trình để duy trì trạng thái mở hoặc đóng trong khi thiết bị đang thực hiện các quan sát của nó.
Kết quả là ánh sáng đó sẽ chỉ đi qua từ một số phần chọn lọc trong trường quan sát của thiết bị – những phần chứa các vật thể mà các nhà thiên văn học đặc biệt muốn có quang phổ.
Muzerolle giải thích: “Ví dụ: nếu bạn muốn chụp quang phổ các ngôi sao trong một cụm, bạn hướng kính viễn vọng vào cụm đó và sau đó mở cửa chớp ở vị trí của các ngôi sao mà bạn quan tâm.
“Tất cả phần còn lại của cửa chớp [sẽ] đóng lại để bạn không bị bất kỳ hậu cảnh nào hoặc ánh sáng gây ô nhiễm khác lọt qua.”
Sau đó, ánh sáng đi qua các cửa chớp đang mở từ các mục tiêu đã chọn sẽ chiếu vào một trong các cách tử của NIRSpec, sẽ tạo ra quang phổ có thể được chụp bởi các chip máy ảnh cực nhạy của thiết bị.
Hình ảnh này, có tới hàng trăm ‘cầu vồng’ hồng ngoại nhỏ, sau đó sẽ được chiếu trở lại Trái đất để các nhà thiên văn học trên mặt đất có thể phân tích nó.
Khi thu được quang phổ của nhiều ngôi sao cùng một lúc, NIRSpec sẽ cho phép các nhà thiên văn học thu thập các mẫu dữ liệu lớn để làm sáng tỏ các quá trình đang diễn ra trong quá trình hình thành sao và hành tinh.
Muzerolle nói: “Từ quan điểm thống kê, điều này thực sự sẽ thúc đẩy lĩnh vực này tiến bộ đáng kể.
Khi thiết bị khảo sát các cõi xa xôi nhất của Vũ trụ, nó cũng sẽ cho chúng ta biết thêm về cách một số thiên hà đầu tiên được sinh ra và cách chúng phát triển.
Khi làm như vậy, nó sẽ mang đến cho các nhà thiên văn học cái nhìn thoáng qua về Vũ trụ khi nó tồn tại “vài trăm triệu năm sau Vụ nổ lớn”, Muzerolle nói.
“Chúng tôi hy vọng rằng chúng tôi có thể nhìn thấy nhiều thiên hà đang trong quá trình hình thành, thu thập vật chất ban đầu của chúng,” ông nói thêm. NIRSpec không phải là máy quang phổ duy nhất sẽ hoạt động trên James Webb.
MIRI, Thiết bị hồng ngoại trung bình, sẽ nghiên cứu nhiều đối tượng mà NIRSpec sẽ nghiên cứu. Nhưng vì nó quan sát ở bước sóng dài hơn, vùng hồng ngoại giữa của quang phổ điện từ nên nó cũng sẽ có thể kiểm tra một số hiện tượng mà NIRSpec không thể.
Sarah Kendrew, một trong những nhà thiên văn học đã làm việc trên MIRI, cho biết: “Với MIRI, chúng tôi sẽ có thể nghiên cứu toàn bộ các vật thể thiên văn từ bên trong Hệ Mặt trời của chúng ta cho đến những nơi xa nhất trong Vũ trụ có thể quan sát được”.
“Nó đặc biệt nhạy cảm với môi trường lạnh hơn, nhiều bụi hơn, loại mà chúng ta hiện đang cố gắng quan sát bằng Kính viễn vọng Không gian Hubble. Chẳng hạn, các đĩa bụi xung quanh các ngôi sao mới hình thành sẽ là mục tiêu tuyệt vời cho MIRI. Vì đó là nơi sinh của các hành tinh, đó là một lĩnh vực nghiên cứu đặc biệt thú vị.”
Máy quang phổ đã là trung tâm của thiên văn học trong hai thế kỷ. Và người ta chỉ có thể tưởng tượng được sự kinh ngạc mà Fraunhofer có thể dành cho các nhạc cụ hiện đại, như MIRI và NIRSpec, nếu ngày nay ông có thể nhìn thấy chúng trong căn phòng sạch sẽ của chúng.
200 năm trước, công việc tiên phong của ông đã cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về Vũ trụ. Giờ đây, di sản của công việc đó đang chuẩn bị được phóng vào vũ trụ để bắt đầu một cuộc cách mạng mới và không kém phần đột phá của riêng nó.
Will Gater là một nhà văn và nhà báo thiên văn học. Bài viết này ban đầu xuất hiện trong số tháng 4 năm 2014 của Tạp chí BBC Sky at Night .