Kính viễn vọng Nancy Grace Roman của NASA Ẩn Chứa Bước Nhảy Công Nghệ Vượt Bậc

Cửa sổ phóng cho Kính viễn vọng Không gian Nancy Grace Roman của NASA sắp mở ra, và bên trong nó không chỉ là thiết bị chính phục vụ mọi lĩnh vực vật lý thiên văn, mà còn có một thiết bị vành nhật hoa đặc biệt — một cỗ máy thử nghiệm đầy tham vọng nhằm trực tiếp chụp được ánh sáng sao phản chiếu từ bề mặt hành tinh lần đầu tiên. NASA hy vọng dự án này sẽ mở đường cho một kính thiên văn không gian có thể quan sát một hành tinh giống Trái Đất quay quanh một ngôi sao giống Mặt Trời.

Đó là một kỳ tích vượt xa khả năng của công nghệ hiện tại — chính vì vậy, việc thử nghiệm kỹ thuật cơ bản trên kính Roman là bước đi chiến lược. "Chúng tôi sẽ kiểm tra chúng trong không gian lần đầu tiên và hiểu được những việc còn phải làm," Vanessa Bailey, nhà vật lý thiên văn tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) của NASA, đồng thời là nhà khoa học phụ trách thiết bị vành nhật hoa, chia sẻ.

Công nghệ vành nhật hoa và thách thức "con đom đóm bên ngọn đèn pha"

Về bản chất, vành nhật hoa (coronagraph) là một tấm chắn nắng thông minh có thể chặn ánh sáng của một ngôi sao sáng để lộ ra những vật thể mờ hơn bị lấn át trong ánh chói. Các thiết bị như vậy đã từng bay trong không gian — cả kính Hubble và James Webb đều trang bị vành nhật hoa. Nhưng thiết bị của kính Roman tinh vi hơn nhiều so với các thế hệ trước, nhờ vào công nghệ gọi là quang học thích ứng (adaptive optics), vốn làm biến dạng gương của kính thiên văn để loại bỏ nhiễu loạn ánh sáng.

Tuy nhiên, thách thức vẫn còn rất lớn: NASA ví nhiệm vụ của vành nhật hoa Roman giống như chụp ảnh một con đom đóm đậu cạnh ngọn đèn pha từ xa hàng nghìn km. "Chỉ cần một chút ánh sáng sao rơi vào sai vị trí có thể phá hủy toàn bộ một phần hình ảnh," Margaret Turnbull, nhà khoa học nghiên cứu ngoại hành tinh tại Viện SETI, người dẫn đầu nhóm khoa học vành nhật hoa Roman, cảnh báo.

Công nghệ này đã trở thành tiêu chuẩn trên các kính thiên văn mặt đất tiên tiến, bao gồm Kính viễn vọng Rất Lớn (Very Large Telescope) ở Chile và Đài quan sát Keck ở Hawaii. Tại đây, quang học thích ứng theo dõi sự can thiệp từ các tầng khí quyển dày và dao động của Trái Đất — vốn làm mờ ánh sao — cho phép các đài quan sát chụp được hình ảnh sắc nét hơn.

Kính thiên văn không gian thường không cần quang học thích ứng vì chúng ở ngoài tầng khí quyển, nhưng chúng cũng chưa từng thử tìm kiếm những hành tinh cũ, lạnh lẽo chỉ được chiếu sáng bởi ánh sao phản chiếu. Với kính Roman, chìa khóa thành công nằm ở hai chiếc gương nhỏ vừa lòng bàn tay, mỗi chiếc được gắn khoảng 2.300 bộ truyền động siêu nhỏ, hoạt động bằng cách giãn nở khi có một luồng điện nhỏ, giúp tái định hình gương một cách tinh vi để đảo ngược nhiễu loạn. Đây là lần đầu tiên NASA đưa gương biến dạng chủ động bay vào không gian.

Hệ thống phức tạp đòi hỏi sự hoàn hảo tuyệt đối

Nhưng chỉ riêng hai chiếc gương là chưa đủ. Hệ thống cần các bộ cảm biến siêu nhạy để khuếch đại tín hiệu từ từng photon — điều kiện tiên quyết vì thiết bị sẽ thu được rất ít photon từ bất kỳ hành tinh nào. Tiếp theo là trái tim của vành nhật hoa: tấm chắn sao. Trong trường hợp của Roman, đó là một bộ mặt nạ được chế tác cực kỳ tỉ mỉ, mà Bruce Macintosh, nhà thiên văn học dẫn đầu Đài quan sát Đại học California, gọi là "những hình dạng đẹp đẽ, phức tạp" chưa từng tồn tại trong không gian. "Những chiếc của Hubble chỉ là brute force, chỉ là một mảnh kim loại nhỏ cản đường ngôi sao," ông nói.

Thử nghiệm và tầm nhìn tương lai

Trong quá trình vận hành vành nhật hoa Roman, các kỹ sư sẽ thu thập lượng lớn dữ liệu kiểm tra để đánh giá hiệu suất trong không gian và xác định các vấn đề cần khắc phục trước khi công nghệ tương tự bay lần nữa. Các nhà khoa học sẽ thử nghiệm bằng cách quan sát một số ngoại hành tinh đã biết.

"Nếu chúng tôi trải qua toàn bộ quá trình và không thấy chúng, thì chúng tôi biết vành nhật hoa có vấn đề, vì những hành tinh đó tồn tại," Turnbull nói. Thiết bị cũng sẽ nhắm vào một số ngôi sao được bao quanh bởi bụi hoặc mảnh vụn, thu thập dữ liệu có thể hé lộ các khoảng trống do hành tinh chưa được phát hiện tạo ra, đồng thời mang lại góc nhìn mới về mức độ "bừa bộn" trong hệ Mặt Trời của chúng ta so với các hệ khác.

Mọi thứ từ vành nhật hoa Roman sẽ định hình các kính thiên văn tương lai tìm kiếm hành tinh nhỏ hơn, bao gồm Đài quan sát Thế giới Có thể sống được (Habitable Worlds Observatory) dự kiến phóng vào khoảng những năm 2040, đòi hỏi một vành nhật hoa hiệu quả gấp 100 lần. Ngoài ra, một vành nhật hoa được trang bị quang học thích ứng gần như nhạy bén như của Roman cũng sẽ bay trên Đài quan sát Không gian Lazuli mà tổ chức nghiên cứu của cựu CEO Google Eric Schmidt công bố vào tháng 1.

Mặc dù việc nhìn thấy thế giới ngoài hành tinh là ứng dụng hấp dẫn nhất, vành nhật hoa trong tương lai có thể giúp các nhà thiên văn quan sát các sao đôi hoặc vật thể ẩn gần chuẩn tinh sáng. Julie McEnery, nhà vật lý thiên văn tại Trung tâm Bay Không gian Goddard của NASA, nhấn mạnh: "Rõ ràng, cách tốt nhất để chứng minh một thứ hoạt động là làm điều gì đó thú vị về mặt khoa học."

Roman là bước đầu tiên, quan trọng hướng tới tương lai này — và những kỳ quan mà nó có thể hé lộ trên đường đi sẽ là nền tảng vững chắc cho các thế hệ kính thiên văn tiếp theo.