Sứ mệnh còn dang dở

Dự án xây dựng kính thiên văn vũ trụ James Webb được bắt đầu từ năm 1996 với sự hợp tác nghiên cứu của 17 nước, đứng đầu là NASA và Cơ quan Không gian châu Âu, Cơ quan Không gian Canada.

Dự án này được đặt tên theo James E. Webb, nhà lãnh đạo thứ hai của NASA, người đóng vai trò quan trọng trong chương trình Apollo. Đây không phải là lần đầu tiên dự án bị trì hoãn, ban đầu kinh phí ước lượng cho dự án này là 1,6 tỷ USD và sẽ hoàn thành vào năm 2011.

Đến năm 2011 thì thời điểm phóng bị lùi lại vào năm 2018 cùng với việc Hạ viện Mỹ bỏ phiếu chấm dứt ngân sách cho dự án sau khi chi phí đã lên tới hơn 3 tỷ USD.

Theo kế hoạch, kính thiên văn vũ trụ James Webb sẽ được đưa vào không gian bằng tên lửa Ariane 5 từ vùng lãnh thổ Guiana, Pháp. Trước đó nó sẽ phải hoàn thành các cuộc thử nghiệm trong môi trường giống hệt ngoài vũ trụ, nơi kính thiên văn vũ trụ này sẽ phải đối mặt…

“Người kế vị” của Hubble

Những ý tưởng và phác thảo đầu tiên của kính viễn vọng không gian Hubble ra đời từ những năm 1940, cho tới tận năm 1970 thì những ý tưởng này vẫn chỉ tồn tại trên giấy tờ nhưng đã tiêu tốn của NASA một khoản ngân sách lên tới gần 1 tỷ USD.

Cùng với sự hợp tác của Cơ quan Hàng không vũ trụ châu Âu, cuối cùng vào tháng 4-1990, Hubble cũng được đưa vào quỹ đạo từ căn cứ Canavera, Hoa Kỳ.

Các nhà khoa học tại Trung tâm Goddard trong dự án kính thiên văn James Webb.

Theo thiết kế, Hubble được trang bị các công cụ sử dụng năng lượng mặt trời với mục đích chụp lại những hình ảnh vũ trụ với ánh sáng khả kiến, tia cực tím và bước sóng cận hồng ngoại. Hubble nặng 12 tấn với kích cỡ như một chiếc xe bus và hoạt động trên quỹ đạo cách trái đất 610km.

Hubble được đặt theo tên của nhà thiên văn học người Mỹ Edwin Powell Hubble và cũng là kính thiên văn phản xạ với hệ thống máy tính và một gương thu ánh sáng đường kính 240cm.

Nhưng những bức ảnh đầu tiên được chụp bởi Hubble đã làm các nhà khoa học thất vọng, chúng mờ nhạt, thiếu chi tiết… khác xa với kỳ vọng ban đầu.

Tiến sĩ Robert Arentz, Tập đoàn Hàng không vũ trụ Ball Aerospace cho rằng các khiếm khuyết quang học (cầu sai) chính là nguyên nhân gây nên hiện tượng mất nét và độ phân giải của hình ảnh.

Phần ngoài rìa của gương hội tụ quá phẳng, độ lõm chỉ có 4 micron, mỏng hơn cả một sợi tóc. Điều này khiến cho các tia sáng đơn sắc song song khi đi qua thấu kính không được khúc xạ đồng hội tụ tại một điểm.

Khác với Hubble, kính thiên văn James Webb được thiết kế để tối ưu cho ánh sáng hồng ngoại, nó có thể thu được ánh sáng cận hồng ngoại tốt hơn, cho phép nhìn rõ hơn vào các đám bụi tinh vân. Kính thiên văn James Webb sẽ nặng khoảng 6 tấn, có độ nhạy lớn hơn 100 lần so với Hubble.

Theo thiết kế, đường kính của gương chính được trang bị cho James Webb là 6,5m được ghép từ 18 tấm gương hình lục giác với bộ phận chống nhiễu là những tấm phim được chế tạo từ hợp chất giữa nhôm và polymer nhằm chống lại những tác động có hại của bức xạ mặt trời. James Webb sẽ mang theo các thiết bị đo đạc và máy quay quang phổ độ nhạy cao.

Phần hướng về phía mặt trời của kính viễn vọng James Webb sẽ có nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho thiết bị và che chắn cho các bộ phận của gương kính hoạt động trong nhiệt độ tối ưu -220ºC.

Được gấp gọn trong một khoang kín và gắn lên tên lửa đẩy, James Webb sẽ bung ra và trở lại đúng hình dạng của nó khi đã đạt quỹ đạo ổn định. Để hoạt động tốt ở dải tần hồng ngoại, James Webb phải được đặt ở vị trí ổn định, tránh ánh sáng trực tiếp từ mặt trời.

Không giống Hubble hoạt động ở quỹ đạo quanh trái đất, James Webb được phóng lên quỹ đạo cao hơn, cách trái đất 1,5 triệu kilômet tại một điểm được gọi là Lagrange 2, nơi đây có trọng lực được cân bằng giữa trái đất và mặt trời.

Cùng với sự hoạt động của kính thiên văn James Webb, các nhà khoa học hy vọng có thể làm sáng tỏ những bí ẩn trong vũ trụ, hiểu rõ về cách hình thành của ngân hà và tìm kiếm những sự sống bên ngoài trái đất.

So sánh đường kính gương trang bị trên kính thiên văn Hubble và James Webb.

Những nhiệm vụ chưa hoàn thành

Về cơ bản, nhiệm vụ khoa học của kính thiên văn James Webb bao gồm: Nghiên cứu về giai đoạn đầu sau vụ nổ Big Bang để hình thành nên vũ trụ như ngày nay.

Theo thuyết Big Bang, ở giai đoạn này vũ trụ là một tập hợp các hạt (electron, proton, neutron) và ánh sáng không thể nhìn thấy… tới khi nhiệt độ xuống thấp đủ để các hạt này bắt đầu kết hợp lại tạo nên các ngôi sao đầu tiên.

Kính thiên văn James Webb sẽ nghiên cứu những gì xảy ra sau khi các ngôi sao đầu tiên được hình thành, hay còn gọi là kỷ nguyên của sự tái phân hủy, sự ion hóa bằng bức xạ từ những ngôi sao đầu tiên này.

Nhiệm vụ tiếp theo của kính thiên văn James Webb sẽ là nghiên cứu về sự tập hợp của các thiên hà.

Trong hàng tỷ năm, từ các hình dạng khác nhau, các thiên hà đã phát triển thành hình xoắn ốc và hình elip như ta thấy ngày nay, và James Webb sẽ giúp các nhà khoa học nghiên cứu các thiên hà sớm nhất để hiểu rõ hơn về sự phát triển này.

Họ cho rằng nhận biết những dấu hiệu về sự tiến hóa của vũ trụ chính là hiểu về cách vật chất được tổ chức như thế nào trên quy mô khổng lồ.

Sự ra đời của các ngôi sao và hệ thống hành tinh cũng là mối quan tâm tiếp theo của các nhà khoa học. Các ngôi sao xuất hiện trong sự bao bọc của các đám mây khí, áp lực bức xạ của chúng gây ra sẽ tác động lên các ngôi sao khác.

Bằng tính năng phân tích quang phổ cận hồng ngoại của mình, James Webb sẽ giúp các nhà khoa học nhìn sâu vào bên trong các đám mây để nhìn rõ hơn cách mà các ngôi sao được sinh ra.

Và cuối cùng là về hành tinh và nguồn gốc của sự sống. Những thiết bị cảm biến của James Webb sẽ có thể so sánh các bầu khí quyển của các hành tinh có dấu hiệu của sự sống.

Bằng cách hiểu rõ sự hình thành của các hành tinh và bầu khí quyển của chúng, các nhà khoa học có thể dự đoán chính xác hơn về khả năng sinh sống trên các hành tinh này.

Trong danh sách thăm dò được lựa chọn theo chương trình Quan sát có thời hạn của NASA, có tới hơn 2.100 đối tượng bao gồm nhiều hành tinh, mặt trăng, các thiên thể… được kính thiên văn James Webb đưa vào mục tiêu thăm dò nhằm phục vụ cho các nghiên cứu chuyên sâu về hệ Mặt trời và sự hình thành của thiên hà.

Một phần của kính thiên văn James Webb đang được lắp đặt.

Theo kế hoạch của NASA thì danh sách này sẽ được hoàn tất trong vòng 2 năm sau khi kính thiên văn James Webb được đưa vào hoạt động. Các nhà khoa học hy vọng với kính thiên văn James Webb, những bí ẩn về vệt đỏ trên sao Mộc, vùng lốc xoáy gần cực Nam sao Hải Vương hay khí quyển của sao Thổ… sẽ được giải đáp.

Một trong những đích được nhắm tới là hoạt động địa chất mạnh mẽ trên mặt trăng Europa của sao Mộc và Enceladus của sao Thổ. Những bằng chứng khoa học được thu thập từ các nhiệm vụ không gian Cassini và Galileo của NASA cho thấy có những cột hơi nước phun lên từ bề mặt của Europa và Enceladus.

Chúng có thể là kết quả của một chuỗi các hoạt động địa chất bên dưới lớp vỏ của hai hành tinh này và là hỗn hợp hơi nước cùng các chất hữu cơ đơn giản. James Webb sẽ sử dụng tính năng quang phổ cận hồng ngoại để phân tích cấu trúc thành phần quang phổ của các cột hơi nước và tiến hành phân tích các đặc điểm bề mặt của hai hành tinh này…

Những dữ liệu được thu thập bởi kính thiên văn James Webb cũng sẽ làm nhiệm vụ dẫn đường tới những nơi đó trong tương lai… Trong các nghiên cứu và quan sát ở quy mô lớn hơn, kính thiên văn James Webb sẽ giúp các nhà khoa học tìm hiểu về sự tương tác giữa thiên hà của chúng ta với các thiên hà lân cận…

Hoàng Ngọc