Dự án xây dựng kính thiên văn mạnh nhất lịch sử: Ước mơ nhìn về quá khứ

• Cậu học trò lớp 10 nhịn ăn sáng lấy tiền chế tạo kính thiên văn
• Kính thiên văn của NASA đối mặt với vực thẳm ngân sách
• Kính thiên văn lớn nhất thế giới ở Hawaii

James Webb là sự kế thừa kính viễn vọng Hubble của NASA và được coi là kính viễn vọng không gian mạnh nhất từng được xây dựng. Từ năm 2016 đến 2018 sẽ là quá trình cài đặt và kiểm tra James Webb sau đó được vận chuyển đến Trung tâm vũ trụ Johnson, Texas. Ở đây chiếc kính thiên văn này sẽ được thử nghiệm quang học trong một môi trường mô phỏng kỹ thuật trước khi nó được phóng lên vũ trụ vào cuối năm 2018. 

Hy vọng trong tương lai, với sự trợ giúp của kính thiên văn Jame Webb, con người có thể “với tới” những thiên hà đầu tiên của vũ trụ, như là một cái nhìn về quá khứ hàng tỷ năm trước.

Ai phát minh ra kính thiên văn?

Kính thiên văn là một trong những phát minh quan trọng nhất của nhân loại, và từ khi con người hiếu kỳ hướng ống kính lên bầu trời thì đã mãi mãi thay đổi quan điểm của chúng ta về Trái đất và vũ trụ. Những nguyên tắc quang học được diễn tả từ thế kỷ thứ XIII do nhà khoa học người Anh là Roger Bacon (1219-1294) đưa ra. 

Nhưng phải đến thế kỷ XVI, khi nhà chế tạo mắt kính người Hà Lan là Hans Lippershey (1570-1619) tình cờ kết hợp các thấu kính và tìm ra nguyên lý phóng đại. Ông đã phát hiện ra khi đặt thẳng hàng 2 kính mắt thích hợp có tác dụng nhìn được những vật ở xa. Chiếc kính đầu tiên do Hans Lippershey chế tạo đã nhanh chóng nổi tiếng khắp châu Âu với tên gọi “chiếc ống ma thuật”. 

Ống kính của Hans khi đó chỉ gồm 2 thấu kính, một thấu kính lồi hướng về vật quan sát và một thấu kính lõm đặt sát mắt và chỉ có độ phóng đại đạt khoảng 3 lần. Nhưng bằng sáng chế đã không được trao cho Hans Lippershey do có sự tranh chấp từ người hàng xóm của ông là Zacharias Janssen và Jacob Metius ở Alkmaar. Tòa án ở Middelburg tuyên bố không xác định được quyền sở hữu sáng chế này và cho là do kết cấu ống kính quá đơn giản nên dễ bị sao chép.

Và một năm sau đó, năm 1609, nhà bác học Galileo Galilei (1564-1642) dựa vào một số miêu tả về chiếc kính viễn vọng của Hans Lippershey, đã chế tạo chiếc kính cho riêng mình. Chiếc kính thiên văn do Galileo chế tạo có độ phóng đại lên tới 30 lần, dài khoảng 1,3 mét, có tiêu cự 130cm và thị kính 4-5cm. Ông là người đầu tiên quan sát bầu trời bằng kính thiên văn và đã vô cùng ngạc nhiên khi thấy những vết lồi lõm trên Mặt trăng cùng 4 vệ tinh bao quanh sao Mộc… 

Trong một thời gian, Galileo trở thành người chế tạo kính thiên văn đủ tốt cho mục đích quan sát bầu trời. Ông đã trưng bày những chiếc kính thiên văn của mình trước Thượng viện Venice. Những chiếc kính thiên văn còn đem lại cho Galileo khá nhiều tiền do được các thủy thủ, nhà buôn ưa chuộng. Các ghi chép quan sát thiên văn của Galileo được xuất bản trong tác phẩm Sidereus Nuncius vào năm 1610.

Mô hình kích thước 1:1 của kính thiên văn James Webb được đặt tại Southwest, Austin.

Những chiếc kính thiên văn đã trở thành trung tâm của cuộc cách mạng khoa học thế kỷ XVII và ảnh hưởng sâu sắc đến những cuộc tranh cãi giữa các tín đồ của thiên văn học địa tâm và những người ủng hộ thuyết nhật tâm của Copernicus. 

Chính Galileo sau khi quan sát bầu trời và sự lên xuống của thủy triều đã gửi tác phẩm của mình, cuốn “Dialogue on the Two Chief World Systems”, lên đức Giáo hoàng Urban VIII trình bày những bằng chứng về việc Trái đất không phải là trung tâm vũ trụ mà chỉ là một trong những hành tinh quay quanh Mặt trời. Nhưng ý tưởng của ông đã bị coi là dị giáo và sau khi bị tra xét ở tòa án Rome năm 1633, ông đã bị kết án quản thúc tại nơi làm việc cho đến khi qua đời vào năm 1642.

Ở những nơi khác tại châu Âu, các nhà khoa học cũng bắt đầu cải thiện các kính thiên văn. Nhà toán học người Anh Thomas Harriot sử dụng một kính thiên văn để quan sát Mặt trăng. Ông đã vẽ bản đồ Mặt trăng vào tháng 8/1609 trước Galileo, nhưng chưa bao giờ được công bố. 

Năm 1611, nhà toán học Johannes Kepler đã cải tiến lại kính thiên văn Galileo bằng cách dùng thấu kính hội tụ làm thị kính để mở rộng trường quan sát và kính thiên văn Kepler ra đời. Hình ảnh xuất hiện trong kính thiên văn của Kepler bị lộn ngược, nhưng điều này không ảnh hưởng đối với việc quan sát bầu trời.

Qua thời gian sử dụng, các nhà thiên văn học thời đó đều thấy kính thiên văn khúc xạ gặp một lỗi rất lớn: độ phóng đại càng cao thì ảnh bị viền màu và không rõ nét càng lớn. 

Tới năm 1666, Isaac Newton sau khi bắt tay vào nghiên cứu quang học đã chứng minh ánh sáng trắng là tập hợp các ánh sáng màu khác nhau và khi đi qua lăng kính sẽ tách thành quang phổ. Thấu kính có độ cong càng lớn thì độ sắc sai sẽ càng tăng cao. Nhưng khi tia sáng phản xạ qua gương, thì nó sẽ không thay đổi và hình ảnh phản xạ qua gương không bị sắc sai. Newton đã chế tạo chiếc kính thiên văn đầu tiên với gương cầu nhỏ được đúc và mài bằng đồng bạch. 

Tranh vẽ miêu tả việc Galilleo Galilei giới thiệu chiếc kính thiên văn của mình.

Sau khi dùng chiếc kính thiên văn này để quan sát các vệ tinh của sao Mộc, Newton đã bắt tay vào thiết kế chiếc kính thiên văn thứ hai với độ phóng đại 38 lần với gương đường kính 37mm và tiêu cự 160mm. Có thể nói, Isaac Newton là người đầu tiên thiết kế kính thiên văn phản xạ với mục tiêu loại bỏ hiện tượng sắc sai của kính khúc xạ. Giác quan của con người đã được mở rộng và chứng minh rằng những người quan sát bình thường cũng có thể nhìn thấy những thứ mà Aristotle vĩ đại hằng mơ ước.

James Webb - quá khứ và tương lai

James Edwin Webb (1906-1992) là quản trị viên của Cơ quan Quản lý Hàng không và Không gian Quốc gia (NASA). Ông xuất thân là một doanh nhân chứ không phải là một nhà khoa học và từng giữ chức vụ Giám đốc Văn phòng Ngân sách dưới thời Tổng thống Harry Truman. 

Sau khi miễn cưỡng nhận nhiệm vụ tại NASA do Tổng thống John Kennedy trao vì cho rằng công việc này cần một người khác có kiến thức về khoa học và công nghệ. Nhưng J.Kennedy cần một người có cái nhìn sâu sắc về chính trị và khả năng quản lý để giúp đỡ những cơ quan còn non trẻ như NASA phát triển. Dưới sự giám sát của James Webb, các chương trình không gian trong thời gian cầm quyền của Kenedy và Johnson đã có những sự tiến bộ lớn. 

Ông đã đưa NASA khéo léo vượt qua tình trạng hỗn loạn xung quanh thảm kịch Apollo 1 vào năm 1967 làm 3 phi hành gia thiệt mạng và cả vụ cháy trong quá trình thử nghiệm bay mô phỏng tại Trung tâm vũ trụ Kenedy. Điều này đã giúp mở đường cho những thành công sau này của NASA trong tương lai. 

Người Mỹ đã bước những bước đầu tiên trên Mặt trăng trong sự kiện tàu Apollo hạ cánh xuống bề mặt hành tinh này vào năm 1968. Kính thiên văn không gian mang tên James Webb như một sự tưởng nhớ ông, người đã đặt những nền móng đầu tiên của NASA và biến trí tưởng tượng của con người thành sự thật.

Kính thiên văn không gian James Webb, trước đó gọi là kính thiên văn không gian thế hệ tiếp theo, có độ nhạy và độ phân giải cao với khả năng thu thập từ bước sóng khả kiến cho tới hồng ngoại trung. Kính thiên văn này được xây dựng với kỳ vọng thay thế kính Hubble và Spitzer.

Các kỹ sư NASA làm sạch gương của kính thiên văn James Webb bằng Carbon Dioxide Snow.

James Webb bao gồm một gương chính có đường kính 6,5m. Các tấm chắn mặt trời có tác dụng giữ cho gương và các thiết bị khoa học luôn ở mức dưới âm 220 độ C. Đây là kính thiên văn hồng ngoại cho phép khảo cứu trên diện rộng đối với lĩnh vực thiên văn học và vũ trụ học. Mục tiêu quan trọng là quan sát những vật thể ở xa nhất trong vũ trụ, vượt quá khả năng quan sát từ mặt đất và các kính không gian hiện nay.

Kính thiên văn James Webb có bộ chống nhiễu gồm 5 tấm phim lọc, làm từ hợp chất giữa nhôm và polymer, có tác dụng chống lại ảnh hưởng của ánh sáng mặt trời. Với 18 tấm gương lục giác được làm từ beri có đường kính mỗi tấm là 1,3m, mặt sau làm mòn bằng acid để tránh các kim loại lạ bám vào bề mặt. 

Theo thiết kế, các tấm gương này sẽ hội tụ ánh sáng mạnh hơn kính thiên văn Hubble 7-8 lần. James Webb sẽ được đưa lên quỹ đạo cách Trái đất 1,5 triệu km, nơi có lực hấp dẫn cân bằng tác động lên nó.

Tại đây nó sẽ tiến hành chụp ảnh các đám mây phân tử, nghiên cứu khí bụi bao quanh các ngôi sao để tìm hiểu sự hình thành của các thiên hà đầu tiên. Những kiến thức thu được từ kính thiên văn này sẽ được chia sẻ trên toàn cầu. Kính thiên văn không gian James Webb hứa hẹn sẽ mở rộng ranh giới của tri thức khoa học của nhân loại, hướng cái nhìn vào vũ trụ theo một cách hoàn toàn khác.