Buzz
Dưới đây là cách những nhà thiên văn học kế hoạch đưa một kính viễn cảnh khổng lồ lên không gian
Kính viễn cảnh không gian James Webb được lên lịch sẽ đi vào không gian vào ngày 18 tháng 12 năm 2021. Với nó, những nhà thiên văn học hy vọng sẽ tìm thấy những ngân hà đầu tiên hình thành trong vũ trụ, sẽ tìm kiếm những bầu không khí giống Trái Đất xung quanh các hành tinh khác và đạt được nhiều mục tiêu khoa học khác.
Tôi là một nhà thiên văn học và nhà nghiên cứu chính cho Camera Gần Hồng Ngoại – hay NIRCam nếu nói tắt – trên tàu vũ trụ Webb. Tôi đã tham gia vào quá trình phát triển và thử nghiệm cho cả máy ảnh của mình và toàn bộ kính viễn cảnh.
Để nhìn sâu vào vũ trụ, chiếc kính viễn cảnh này có một tấm gương rộng hơn 20 feet, một cái mũ che nắng rộng như sân tennis để chặn bức xạ mặt trời và bốn hệ thống camera và cảm biến riêng biệt để thu thập dữ liệu.
In order to detect the most distant and oldest galaxies, the telescope needs to be huge and kept extremely cold.NASA/Chris GunnNhững ngân hà trẻ và bầu không khí ngoại hành tinh
Telescope Webb có một tấm gương rộng hơn 20 feet, một cái mũ che nắng rộng như sân tennis để chặn bức xạ mặt trời và bốn hệ thống camera và cảm biến riêng biệt để thu thập dữ liệu.
Nó hoạt động giống như một đĩa vệ tinh. Ánh sáng từ một ngôi sao hoặc thiên hà sẽ vào miệng của kính viễn cảnh và bật ra khỏi gương chính hướng về bốn cảm biến: NIRCam, chụp ảnh ở gần hồng ngoại; Near Infrared Spectrograph, có thể chia ánh sáng từ một số nguồn lựa chọn thành các màu thành phần và đo sức mạnh của mỗi màu sắc; Mid-Infrared Instrument, chụp ảnh và đo bước sóng ở giữa hồng ngoại; và Near Infrared Imaging Slitless Spectrograph, chia và đo ánh sáng của bất cứ thứ gì mà các nhà khoa học chỉ đến với kính viễn cảnh.
Thiết kế này sẽ cho phép các nhà khoa học nghiên cứu cách ngôi sao hình thành trong Dải Ngân Hà và bầu khí quyển của các hành tinh ngoài Hệ Mặt Trời. Có thể thậm chí là có thể xác định thành phần của những bầu khí quyển này.
The NIRCam, seen here, will measure infrared light from extremely distant and old galaxies. NASA/Chris GunnKể từ khi Edwin Hubble chứng minh rằng các thiên hà ở xa giống như Dải Ngân Hà, các nhà thiên văn học đã đặt ra câu hỏi: Các thiên hà cổ nhất có bao nhiêu tuổi? Chúng đã hình thành như thế nào lần đầu tiên? Và chúng đã thay đổi như thế nào qua thời gian? Kính viễn cảnh Webb ban đầu được gọi là “Máy Ánh Sáng Đầu Tiên” vì nó được thiết kế để trả lời những câu hỏi này.
Một trong những mục tiêu chính của kính viễn cảnh là nghiên cứu các thiên hà ở xa gần biên của vũ trụ quan sát được. Cần hàng tỷ năm để ánh sáng từ những thiên hà này đi qua vũ trụ và đến Trái Đất. Tôi ước lượng rằng những hình ảnh mà đồng nghiệp và tôi sẽ thu thập với NIRCam có thể hiển thị những protogalaxy hình thành chỉ sau 300 triệu năm sau Sự Nổ Lớn – khi chúng chỉ là 2% so với tuổi hiện tại.
Tìm ra những tập hợp đầu tiên của các ngôi sao hình thành sau Sự Nổ Lớn là một nhiệm vụ khó khăn vì một lý do đơn giản: Những protogalaxy này rất xa và do đó trở nên rất mờ.
Gương của Webb được làm từ 18 đoạn riêng biệt và có thể thu thập hơn sáu lần ánh sáng so với gương Kính Viễn Cảnh Vũ Trụ Hubble. Đối tượng ở xa cũng trở nên rất nhỏ, vì vậy kính viễn cảnh phải có khả năng tập trung ánh sáng càng chặt càng tốt.
Kính viễn cảnh cũng phải đối mặt với một vấn đề phức tạp khác: Vì vũ trụ đang mở rộng, những thiên hà mà các nhà khoa học sẽ nghiên cứu với kính viễn cảnh Webb đều đang di chuyển xa khỏi Trái Đất, và hiệu ứng Doppler được kích hoạt. Giống như âm thanh của còi xe cứu thương giảm và trở nên đậm hơn khi nó vượt qua và bắt đầu di chuyển xa bạn, bước sóng của ánh sáng từ những thiên hà xa dịch chuyển từ ánh sáng nhìn thấy xuống ánh sáng hồng ngoại.
The five layers of silvery material underneath the gold mirror are a sunshield that will reflect light and heat to keep the sensors incredibly cold. NASA/Chris GunnWebb phát hiện ánh sáng hồng ngoại – nó về cơ bản là một kính viễn cảnh nhiệt độ lớn. Để “nhìn thấy” các thiên hà mờ trong ánh sáng hồng ngoại, kính viễn cảnh cần phải lạnh xuất sắc hoặc nếu không tất cả những gì nó thấy sẽ chỉ là bức xạ hồng ngoại của chính nó. Đây là nơi mà tấm chắn nhiệt độ đến. Tấm chắn được làm từ một lớp màng nhựa phủ nhôm. Nó dày năm lớp và có kích thước 46,5 feet (17,2 mét) bởi 69,5 feet (21,2 mét) và sẽ giữ cho gương và cảm biến ở nhiệt độ âm 390 độ Fahrenheit (âm 234 độ Celsius).
Kính viễn cảnh Webb là một thành tựu kỹ thuật tuyệt vời, nhưng làm thế nào để đưa một thứ như vậy an toàn lên vũ trụ và đảm bảo rằng nó sẽ hoạt động?
Engineers and scientists tested the entire telescope in an an extremely cold, low-pressure cryogenic vacuum chamber. NASA/Chris GunnKiểm tra và luyện tập
Kính viễn cảnh Vũ trụ James Webb sẽ quay quanh một triệu dặm từ Trái Đất – khoảng 4.500 lần xa hơn so với Trạm Vũ trụ Quốc tế và quá xa để được dịch vụ bởi những phi hành gia.
Trong 12 năm qua, đội ngũ đã kiểm tra kính viễn cảnh và các công cụ, rung chúng để mô phỏng việc phóng tên lửa và kiểm tra lại. Mọi thứ đã được làm lạnh và kiểm tra dưới điều kiện hoạt động cực kỳ khắc nghiệt của quỹ đạo. Tôi sẽ không bao giờ quên khi đội của tôi ở Houston kiểm tra NIRCam bằng một buồng được thiết kế cho chiếc xe hơi mặt trăng Apollo. Đó là lần đầu tiên mà máy ảnh của tôi phát hiện ánh sáng đã phản xạ từ gương của kính viễn cảnh, và chúng tôi không thể hạnh phúc hơn – ngay cả khi bão Harvey đang đấu với chúng tôi bên ngoài.
Rehearsals and training at the Space Telescope Science Institute are critical to make sure that the assembly process goes smoothly and any unexpected anomalies can be dealt with. NASA/STScISau thời gian kiểm thử là những buổi diễn tập. Kính viễn cảnh sẽ được điều khiển từ xa thông qua các lệnh được gửi qua một liên kết radio. Nhưng vì kính viễn cảnh sẽ ở rất xa – mất sáu giây cho một tín hiệu đi một chiều – không có sự kiểm soát thời gian thực. Vì vậy trong ba năm qua, đội của tôi và tôi đã đến Viện Khoa học Kính viễn cảnh Không gian ở Baltimore và thực hiện các nhiệm vụ diễn tập trên một bộ mô phỏng bao gồm mọi thứ từ việc phóng lên đến các hoạt động khoa học thường xuyên. Đội ngũ thậm chí còn thực hành xử lý với những vấn đề tiềm ẩn mà những người tổ chức kiểm thử đặt ra và gọi chúng một cách dễ thương là “bất thường”.
Một số sự căn chỉnh được yêu cầu
Đội ngũ Webb sẽ tiếp tục diễn tập và thực hành cho đến ngày phóng vào tháng 12, nhưng công việc của chúng tôi chưa kết thúc sau khi Webb được gấp và đưa vào tên lửa.
Credit: NASAChúng tôi cần đợi 35 ngày sau khi phóng để các bộ phận nguội trước khi bắt đầu căn chỉnh. Sau khi gương được mở ra, NIRCam sẽ chụp các chuỗi hình ảnh có độ phân giải cao của từng đoạn gương cá nhân. Đội ngũ kính viễn cảnh sẽ phân tích các hình ảnh và yêu cầu các động cơ điều chỉnh các đoạn gương theo từng bước được đo bằng tỉ phú một mét. Khi các động cơ di chuyển gương vào vị trí, chúng tôi sẽ xác nhận rằng căn chỉnh của kính viễn cảnh là hoàn hảo. Nhiệm vụ này quan trọng đến mức có hai bản sao tương đồng của NIRCam trên tàu vũ trụ – nếu một cái lỗi, cái kia có thể tiếp quản công việc căn chỉnh.
Quá trình căn chỉnh và kiểm tra này sẽ mất sáu tháng. Khi hoàn thành, Webb sẽ bắt đầu thu thập dữ liệu. Sau 20 năm công việc, các nhà thiên văn sẽ cuối cùng có một kính viễn cảnh có khả năng nhìn xuyên qua những vùng xa xôi, xa nhất của vũ trụ.
Bài viết của Marcia Rieke, Giáo sư Đại học, Chuyên ngành Thiên văn, Đại học Arizona
Bài viết này được đăng lại từ The Conversation dưới giấy phép Creative Commons. Đọc bài viết gốc.
