BlogTheanh (03.10.2019): Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) không chỉ đơn thuần là người kế nhiệm của Kính thiên văn vũ trụ Hubble; nó là một cuộc cách mạng trong thiên văn học, một kỳ quan kỹ thuật được thiết kế để nhìn ngược về buổi bình minh của vũ trụ.
Bắt đầu được phát triển từ năm 1996 với kỳ vọng phóng vào năm 2007, dự án đầy tham vọng này đã trải qua vô số lần trì hoãn và thách thức, cuối cùng đã được phóng thành công vào cuối năm 2021. Vậy điều gì đã khiến một dự án kéo dài hàng thập kỷ và tiêu tốn hàng tỷ đô la? Câu trả lời nằm ở sự phức tạp đến khó tin của nó.
Tại Sao Phải Đưa Kính Viễn Vọng Lên Vũ Trụ?
Có một lý do cơ bản để chế tạo một kính viễn vọng khổng lồ trong không gian: để thoát khỏi bầu khí quyển của Trái Đất. Bầu khí quyển, dù cần thiết cho sự sống, lại là kẻ thù của các nhà thiên văn học. Sự nhiễu động của không khí (do nhiệt và các yếu tố khác) làm cho hình ảnh các ngôi sao bị "cong vênh" hay nhấp nháy. Mặc dù công nghệ hiện đại đã giúp các kính viễn vọng mặt đất phần nào khắc phục được điều này, nhưng không gì có thể thay thế được sự trong suốt tuyệt đối của chân không vũ trụ.
Quan trọng hơn, James Webb là một kính viễn vọng hồng ngoại. Ánh sáng hồng ngoại, vốn phát ra từ những vật thể xa xôi và cổ xưa nhất, phần lớn bị bầu khí quyển Trái Đất hấp thụ. Hơn nữa, chính Trái Đất và mọi vật thể ấm áp trên đó đều phát ra bức xạ hồng ngoại, tạo ra một "màn nhiễu" khổng lồ che khuất tín hiệu yếu ớt từ vũ trụ. Để nhìn thấy vũ trụ sơ khai, chúng ta phải đưa một con mắt cực nhạy và cực lạnh vào không gian sâu.
Con Mắt Vàng Khổng Lồ: Một Thiết Kế Đột Phá
Trái tim của James Webb là tấm gương chính khổng lồ, rộng 6,5 mét với diện tích bề mặt 25 mét vuông, lớn hơn gấp 5 lần so với Hubble. Tấm gương này được tạo thành từ 18 mảnh lục giác riêng lẻ.
Vật liệu đột phá: Các kỹ sư đã chọn Beryllium, một kim loại siêu nhẹ, cực kỳ cứng và ổn định ở nhiệt độ cực lạnh. Nếu dùng công nghệ của Hubble, tấm gương của Webb sẽ nặng gấp 10 lần, quá nặng để bất kỳ tên lửa nào có thể phóng đi. Nhờ Beryllium, mỗi mảnh gương chỉ nặng 20kg.
Lớp mạ vàng quý giá: Beryllium không phản xạ tốt ánh sáng hồng ngoại, nhưng vàng thì lại làm điều đó một cách hoàn hảo. Tuy nhiên, việc mạ một lớp vàng siêu mỏng và siêu mịn lên bề mặt Beryllium vốn rất khó đánh bóng là một thách thức. Các kỹ sư đã sử dụng kỹ thuật bốc hơi chân không: đặt các tấm gương vào một buồng chân không, sau đó hóa hơi một lượng nhỏ vàng. Hơi vàng lơ lửng và ngưng tụ đều trên bề mặt gương, tạo ra một lớp phủ hoàn hảo với độ dày chỉ vài trăm nguyên tử. Tổng lượng vàng được sử dụng cho toàn bộ tấm gương chỉ chưa đến 3 gram.
Những Thách Thức Kỹ Thuật Chưa Từng Có
1. Gấp lại và Mở ra: Một tấm gương rộng 6,5 mét không thể vừa với bất kỳ khoang chứa hàng của tên lửa nào. Giải pháp duy nhất là thiết kế nó có thể gập lại như một tác phẩm origami. Điều này làm tăng độ phức tạp lên gấp bội. Sau khi bay vào không gian, 18 mảnh gương phải tự bung ra và tự căn chỉnh với nhau với độ chính xác đến từng nanomet để hoạt động như một tấm gương duy nhất.
2. Giữ Lạnh Tuyệt Đối: Để quan sát tín hiệu hồng ngoại yếu ớt, Webb phải được giữ ở nhiệt độ cực lạnh, khoảng -220°C. Thậm chí một trong các thiết bị của nó, MIRI, cần lạnh hơn nữa, chỉ 7 Kelvin (-266°C).
Tấm chắn nắng khổng lồ: Để chống lại nguồn nhiệt lớn nhất là Mặt Trời, Trái Đất và Mặt Trăng, các kỹ sư đã thiết kế một tấm chắn nắng 5 lớp, kích thước bằng một sân tennis. Mỗi lớp mỏng hơn sợi tóc người. Phía đối diện Mặt Trời, tấm chắn có thể nóng đến 100°C, nhưng phía bên kia, các thiết bị khoa học vẫn lạnh cóng. Tấm chắn này cũng phải được gấp lại khi phóng và bung ra một cách tinh vi trong không gian. Một vết rách nhỏ trên tấm chắn trong quá trình thử nghiệm chính là một trong những nguyên nhân gây ra sự trì hoãn cuối cùng.
Máy làm lạnh đặc biệt: Để đạt đến nhiệt độ -266°C, thiết bị MIRI cần một máy làm lạnh riêng, về cơ bản là một hệ thống tuần hoàn khí heli siêu lạnh được bơm bởi một máy bơm có độ rung cực thấp, được phát triển đặc biệt cho nhiệm vụ này.
3. Nhìn Thấy Hàng Trăm Vật Thể Cùng Lúc: Một trong những công nghệ đột phá của Webb là một thiết bị gọi là "mảng cửa chớp siêu nhỏ" (microshutter array). Nó bao gồm một lưới hàng nghìn cửa sổ tí hon, mỗi cửa chỉ rộng bằng vài sợi tóc, có thể được điều khiển độc lập để mở hoặc đóng. Điều này cho phép Webb chặn ánh sáng từ các ngôi sao sáng gần đó và chỉ thu thập quang phổ ánh sáng từ 100 vật thể mờ nhạt, xa xôi cùng một lúc – một khả năng giúp tăng tốc độ thu thập dữ liệu một cách đáng kinh ngạc.
Sứ Mệnh Tối Thượng: Không Có Cơ Hội Thứ Hai
Tất cả sự phức tạp này được nhân lên bởi một sự thật nghiệt ngã: Webb hoạt động tại điểm Lagrange L2, cách Trái Đất 1,5 triệu km – xa hơn quỹ đạo của Mặt Trăng gấp 4 lần. Khoảng cách này khiến nó không thể được sửa chữa hay nâng cấp bởi các phi hành gia như Hubble. Mọi thứ, từ việc phóng, bung gương, bung tấm chắn nắng cho đến việc khởi động các thiết bị, đều phải hoạt động hoàn hảo ngay lần đầu tiên.
Chính vì vậy, quá trình kiểm tra trên mặt đất kéo dài và vô cùng tỉ mỉ. Nếu nhiệm vụ này thành công, nó sẽ làm sáng tỏ những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ: những ngôi sao và thiên hà đầu tiên được hình thành như thế nào sau Vụ Nổ Lớn? Các hệ sao và hành tinh hình thành ra sao? Và liệu có dấu hiệu của sự sống trong bầu khí quyển của các ngoại hành tinh xa xôi hay không?
Kính viễn vọng Hubble từng là một kỳ quan, nhưng James Webb là một bước tiến vượt bậc, một minh chứng cho sự kiên trì và khát vọng khám phá vô hạn của con người.
Thế Anh
