Những khám phá vĩ đại của kính thiên văn Hubble (1)

Mark Voit (Physics World, tháng 9/2010)

Sau 20 năm phục vụ, sứ mệnh lịch sử của Kính thiên văn vũ trụ Hubble sắp đến hồi kết thúc. Trong bài, Mark Voit giải thích làm thế nào chiếc kính thiên văn này giành được danh vọng nổi bật trong lịch sử ngành thiên văn học, và đánh giá một số khám phá mang tính cách mạng của nó.

Được xem là “Con mắt của Chúa”, Tinh vân Helix thật ra là tàn dư chất khí phát sáng của một ngôi sao đang qua đời. (Ảnh: NASA)

Bạn thích hình ảnh nào từ kho ảnh của Kính thiên văn vũ trụ Hubble? Ảnh Trường Sâu Hubble? Tinh vân Chim ưng? Thiên hà Xoắn ốc Whirlpool? Hay chân dung của một trong các hành tinh? Chắc chắn bạn đã từng xem hàng tá hình ảnh Hubble, vì chúng ở mọi nơi – báo in, tạp chí, chương trình truyền hình, hình nền website, thậm chí trên thiếp mừng. Sự sinh sôi nhanh chóng này của những hình ảnh tuyệt đẹp đã đưa Hubble trở thành một biểu tượng mà không có một thiết bị khoa học nào khác có thể sánh nổi. Hãy hỏi một ai đó trên đường bạn gặp về tên của một chiếc kính thiên văn. Câu trả lời hầu như chắc chắn sẽ là Kính thiên văn vũ trụ Hubble, mặc dù trong vài thập niên trở lại đây, một vài thiết bị khác cũng đã giúp tạo ra một thời kì vàng son của ngành thiên văn học.

Các ảnh chụp Hubble làm say đắm lòng người do vị trí của chiếc kính thiên văn này nằm phía trên bầu khí quyển củatrái đất. Được đưa vào quỹ đạo cách đây 20 năm trước bởi Tàu con thoi vũ trụ Discovery, Hubble quay một vòng xung quanh trái đất mất 96 phút ở độ cao khoảng 560 km – không cao lắm phía trên đầu chúng ta. So với khoảng cách đến những mục tiêu vũ trụ của nó, con số này có nghĩa là chiếc kính thiên văn trên hầu như bám sát với mặt đất. Tuy nhiên, giá trị này vẫn đủ cao để vượt qua những trở ngại lớn nhất đối với các quan sát thiên văn chính xác: bầu khí quyển hay xáo trộn của Trái đất, nó chặn mất phần lớn các dạng bức xạ điện từ mà các nhà thiên văn muốn quan sát. Ngay cả ánh sáng khả kiến cũng không đi qua nguyên vẹn. Tầm nhìn vũ trụ do mà một kính thiên văn mặt đất cỡ lớn mang lại có phần lu mờ vì các nhiễu loạn khí quyển làm khúc xạ và lệch hướng chút ít đối với đường đi của chùm tia sáng. Nếu không được hiệu chỉnh, những sự lệch hướng này sẽ làm nhòe ảnh của những ngôi sao ở xa, bằng không chúng sẽ hiện ra gần như có dạng điểm, sao cho chúng có kích thước góc khoảng một giây cung, tùy thuộc vào các điều kiện khí quyển. Ngoài hiệu ứng mà chúng ta gọi là sự nhấp nháy, mắt con người không thể phát hiện ra sự lu mờ này, nhưng nó làm tổn hại nghiêm trọng đối với các nghiên cứu thiên văn đòi hỏi góc nhìn vô cùng sắc nét. Từ vị trí của nó trong vũ trụ, Hubble có một lợi thế lớn. Nó không phải xử lí các hiệu ứng nhòe ảnh của khí quyển và vì thế có thể cung cấp các bức ảnh chi tiết nguy nga tráng lệ.

Ngoài cái đẹp, danh vọng của Hubble còn đến từ câu chuyện lịch sử li kì của nó. Trong những năm sắp phóng lên vào năm 1990, Kính thiên văn vũ trụ Hubble được quảng cáo rùm beng là tiến bộ lớn nhất trong ngành thiên văn học kể từ khi galileo lần đầu tiên hướng một chiếc kính thiên văn lên bầu trời. Để khai thác lợi thế của góc nhìn tươi mới từ không gian bên ngoài, NASA đã trang bị một trong những chiếc gương mặt đất chính xác nhất từng được chế tạo để làm bộ phận quang chính của Hubble dùng thu thập và hội tụ ánh sáng. Sự kì vọng cao độ đã vấp phải nhiều ê chề sau khi phóng, khi mà chiếc kính không thể hội tụ chính xác và chiếc gương chính gặp phải sự cố. Bề mặt gương nhẵn bóng và chính xác đến không ngờ, nhưng hình dạng của nó không chính xác vì thiết bị kiểm tra dùng trong quá trình mài đã được lắp đặt không đúng quy cách. Như một thượng nghị sĩ đặt vấn đề, hàng tỉ đô la chi cho Hubble đã tạo ra một “con gà công nghiệp”. Nhưng một đặc điểm đặc biệt của thiết kế Hubble mang lại tia hi vọng. Không giống như những chiếc kính thiên văn khác trong không gian, Hubble được chế tạo để phục vụ bởi các nhà du hành đến thăm nom. Một phần kế hoạch của NASA luôn là việc nâng cấp Hubble một cách đều đặn, mang thêm lên những thiết bị mới, ưu việt hơn mỗi vài ba năm một lần trong những hành trình bay sứ mệnh. Và vào năm 1993, các nhà du hành trên Tàu con thoi vũ trụ Endeavour đã mang lên và lắp đặt các thiết bị quang hiệu chỉnh để bổ sung chính xác cho sự biến dạng của gương chính, nhờ đó phục hồi tầm nhìn ưu việt mà ngày nay đã tạo ra một bộ sưu tập ảnh hết sức ấn tượng và rất nhiều khám phá khoa học.

Mỗi chuyến thăm dịch vụ sau đó để lại một phiên bản mới hơn, cải tiến hơn của chiếc kính thiên văn trên. Các cải tiến thật đáng kể, cho nên có thể phân chia sự hoàn thiện kì công Hubble thành năm giai đoạn khác nhau, mỗi giai đoạn chấm dứt bởi một sứ mệnh dịch vụ lắp đặt những thiết bị mới. Qua chuỗi tiếp tế khoa học này, Hubble đã giành được danh vọng cao trong lịch sử thiên văn học, nhưng vào lúc bắt đầu sứ mệnh, sự thành công của nó là không chắc chắn cho lắm.

Kính thiên văn vũ trụ Hubble bay xung quanh Trái đất mỗi vòng mất 97 phút ở tốc độ xấp xỉ 7,5 km/s so với Trái đất (Ảnh: NASA)

Vật lộn để tồn tại (1990–1993)

Nếu như sứ mệnh dịch vụ đầu tiên hiệu chỉnh thị lực của Hubble gặp thất bại, thì toàn bộ chương trình có thể bị hủy. Nhưng bất chấp tiếng tăm bị mai một của chiếc kính trong ba năm đầu tiên của nó, Hubble vẫn thực hiện được nghiên cứu khoa học có giá trị. Cho dù với một cái gương chính bị rạn nứt, nhưng Hubble vẫn là chiếc kính thiên văn hoàn hảo nhất từng được chế tạo cho quan sát ánh sáng tử ngoại bước sóng ngắn, chúng không thể thâm nhập vào bầu khí quyển của Trái đất. Một trong những dự án chủ chốt dành cho Hubble trước khi phóng lên không đòi hỏi chất lượng hình ảnh tốt, vì dự án đó không sử dụng các camera ghi ảnh của nó, mà sử dụng các quang phổ kế của nó.

Dự án chủ chốt đó là nghiên cứu chất khí giữa các thiên hà. Đa phần chất khí trong vũ trụ nằm bên ngoài các thiên hà, nơi cực kì khó nghiên cứu. Chất khí giữa các thiên hà hầu như không phát ra ánh sáng, và đa phần cái chúng ta biết về nó phát sinh từ các nghiên cứu quang phổ của những quasar xa xôi. Khi ánh sáng phát ra từ một quasar thực hiện hành trình về hướng Trái đất, nó đi qua vô số đám mây khí giữa các thiên hà. Mỗi đám mây hấp thụ mất một chút ánh sáng ở một vài bước sóng đặc biệt tùy thuộc vào thành phần và trạng thái ion hóa của đám mây. Cho nên khi quang phổ quasar có mặt tại Trái đất, nó mang thông tin tương tự như thông tin chứa trong mẫu nhân địa chất, cho chúng ta biết về các điều kiện trong không gian liên thiên hà trên hành trình dọc theo hướng nhìn nhắm lùi tới quasar đó.

Phần lớn thông tin đó được mã hóa trong phần tử ngoại của quang phổ vì đó là nơi các nguyên tử tương tác đủ mạnh với bức xạ điện từ. Trước khi có sứ mệnh Hubble, các nghiên cứu chất khí liên thiên hà bị hạn chế với những đám mây rất xa có độ lệch đỏ vũ trụ đủ lớn để dịch chuyển các đặc trưng tử ngoại đang quan tâm sang dải khả kiến, nhờ đó làm cho chúng có thể quan sát với các kính thiên văn mặt đất. Các quan sát tử ngoại của Hubble về các quasar trong toàn sứ mệnh của nó, do đó, đã giúp lấp đầy một khe trống lớn trong sự hiểu biết của chúng ta về không gian liên thiên hà, cho chúng ta biết các điều kiện giữa các thiên hà đã biến đổi như thế nào trong vài tỉ năm vũ trụ vừa qua.

Còn tiếp....