[비즈한국] NASA sẽ thực hiện những sứ mệnh nào trong tương lai? Có một nơi cho phép chúng ta nhìn thấy viễn cảnh về các sứ mệnh thám hiểm không gian mới sẽ được thực hiện trong vài năm tới. Hàng năm, Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (NAS) tổ chức các cuộc họp để các nhà thiên văn học cùng nhau lập kế hoạch dài hạn cho những cuộc thám hiểm trong 10 năm tới. Họ không chỉ lên kế hoạch cho những việc trước mắt, mà còn nhìn xa tới một thập kỷ, thậm chí vài thập kỷ sau. Vì vậy, thông qua các cuộc khảo sát thập kỷ (Decadal Survey) được công bố định kỳ, chúng ta có thể thấy được tương lai mà ngành thiên văn học đang hướng tới.
Năm 1972, các nhà thiên văn học đã lên ý tưởng về một kính thiên văn không gian lớn, có khả năng quan sát vũ trụ bằng nhiều dải sáng khác nhau từ tử ngoại, khả kiến đến hồng ngoại ngay trong không gian. Ý tưởng này sau đó đã dẫn đến sự ra đời của Kính thiên văn không gian Hubble. Năm 2001, họ tuyên bố mục tiêu mới là một kính thiên văn không gian siêu lớn để tập trung quan sát vũ trụ sơ khai ngay sau vụ nổ Big Bang, đồng thời ưu tiên nguồn vốn cho Kính thiên văn không gian thế hệ mới (NGST, Next Generation Space Telescope). 20 năm sau tuyên bố lịch sử đó, kính thiên văn này đã bay vào vũ trụ với tên gọi James Webb.
Vậy, cuộc thám hiểm vũ trụ mà các nhà thiên văn học mơ ước trong 10, 20 năm tới sẽ hướng về đâu? Sự quan tâm mới của họ đang chuyển sang việc tìm kiếm sự sống ngoài Trái Đất và các hành tinh có thể là nơi cư trú của chúng. Họ đang lên kế hoạch cho những chiếc kính thiên văn mới chỉ dành riêng cho việc tìm kiếm sự sống.
Tham vọng được công bố năm 2023 rất to lớn: tìm kiếm càng nhiều hành tinh càng tốt xung quanh hàng trăm triệu ngôi sao đang trôi nổi trong dải Ngân hà của chúng ta. Cho đến nay, "thợ săn" tìm kiếm ngoại hành tinh tích cực nhất chính là Kính thiên văn không gian Kepler. Kepler đã nghỉ hưu sau khi phát hiện hơn 5.000 ngoại hành tinh. Tiếp nối thành công đó, TESS đã được phóng lên, và nếu tính cả các ứng viên hành tinh, số lượng ngoại hành tinh được phát hiện cho đến nay đã vượt quá con số 10.000.
Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn chưa thể hài lòng. Chúng ta vẫn chưa thực sự phát hiện được một ngoại hành tinh nào chắc chắn có sự sống. Các nhà thiên văn học hiện đang lên kế hoạch cho một kính thiên văn không gian mới, tập trung duy nhất vào các ngoại hành tinh và các dấu hiệu của sự sống (biosignatures). Theo kế hoạch, kính thiên văn này sẽ có đường kính khoảng 6m, tương đương với James Webb. Điểm khác biệt quan trọng là thay vì chỉ quan sát tia hồng ngoại như James Webb, kính thiên văn mới này có thể quan sát đa dạng các dải sáng từ hồng ngoại, khả kiến đến tử ngoại. Đây là kế hoạch kết hợp từ hai dự án trước đó.
Có một dự án với cái tên rất trực diện là LUVOIR (Large Ultraviolet Optical Infrared Surveyor - Trạm khảo sát Hồng ngoại, Quang học và Tử ngoại lớn). Dự án đề xuất đưa lên một kính thiên văn không gian khổng lồ với kích thước từ 10-15m để quan sát các dải sáng rộng với độ phân giải cao. Có ý kiến đề xuất phóng vào năm 2034 nhân kỷ niệm 100 năm ngày sinh của Carl Sagan, nhưng do quy mô quá lớn, việc thực hiện vẫn chưa chắc chắn.
Một dự án khác là HabEx (Habitable Exoplanet Observatory - Đài quan sát Ngoại hành tinh có thể sống được). Đây cũng là một kính thiên văn không gian mới chuyên tìm kiếm các ngoại hành tinh. Trong hầu hết các quan sát cũ, bao gồm cả kính thiên văn Kepler, phương pháp chủ yếu được sử dụng là "quá cảnh" (transit) - khi ngoại hành tinh bay ngang qua phía trước ngôi sao khiến ánh sáng sao mờ đi đôi chút. Tuy nhiên, HabEx lại nghĩ ra một phương pháp chủ động hơn: đặt một tấm màn che nhân tạo khổng lồ phía trước ngôi sao mà kính thiên văn nhắm tới để giảm thiểu sự cản trở của ánh sáng sao ngay từ đầu. Như vậy, chúng ta có thể chụp được những bức ảnh rõ nét hơn về các ngoại hành tinh vốn đang bị lu mờ bởi ánh sáng chói lóa của ngôi sao chủ.
Kế hoạch mới được công bố lần này là sự kết hợp hài hòa giữa hai dự án LUVOIR và HabEx, gọi tắt là HWO (Habitable Worlds Observatory - Đài quan sát Thế giới có thể sống được). Mục tiêu của HWO không chỉ đơn thuần là tìm xem có hành tinh nào bên cạnh các ngôi sao khác hay không, mà còn là xác định chính xác các dấu hiệu của sự sống.
James Webb đã đi vào hoạt động, vậy liệu có cần thiết phải đưa HWO lên nữa không? Mặc dù James Webb rất tuyệt vời, nhưng nó có những giới hạn thực tế và quan trọng. James Webb không phải là kính thiên văn chỉ dành riêng cho ngoại hành tinh. Nó là một loại kính thiên văn đa năng, thực hiện nhiều nhiệm vụ thiên văn khác nhau như quan sát vũ trụ sơ khai sau Big Bang, các hành tinh trong hệ Mặt Trời, nơi ra đời của các vì sao và thiên hà. Ngoại hành tinh chỉ là một phần nhỏ trong tổng thể sứ mệnh của James Webb, vì vậy rất khó để đảm bảo đủ thời gian tìm kiếm sự sống.
Ngoài ra còn có vấn đề khoa học. Để nhận biết các dấu hiệu của sự sống, cuối cùng chúng ta phải biết được thành phần bầu khí quyển của ngoại hành tinh đó. James Webb cũng giống như các quan sát trước đây, phân tích thành phần khí quyển vào thời điểm ngoại hành tinh đi ngang qua phía trước ngôi sao (quá cảnh). Một phần ánh sáng sao đi xuyên qua bầu khí quyển ngoại hành tinh sẽ để lại các dấu vết hóa học trong quang phổ, qua đó chúng ta ước tính thành phần cấu tạo.
Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi phải chờ đợi rất lâu. Rất khó để có được dữ liệu tốt chỉ sau một lần quan sát. Chúng ta phải đợi một chu kỳ nữa để hành tinh đó quay lại và đi ngang qua ngôi sao lần nữa. Cần phải quan sát quá cảnh nhiều lần như vậy mới có thể thu thập đủ dữ liệu có ý nghĩa thống kê.
Bản thân phương pháp quá cảnh cũng có vấn đề cố hữu. Như đã giải thích, để thu thập đủ dữ liệu cần phải chứng kiến quá cảnh nhiều lần. Do đó, các ngoại hành tinh có chu kỳ quỹ đạo ngắn dễ quan sát hơn. Chỉ cần chờ vài ngày hoặc vài tuần là có thể thấy lần quá cảnh tiếp theo. Nhưng điều này dẫn đến một vấn đề khác: chu kỳ ngắn nghĩa là ngoại hành tinh nằm rất sát ngôi sao chủ. Quỹ đạo quá nhỏ và quá gần ngôi sao khiến hành tinh dễ bị tiếp xúc với các tia lửa (flare) bùng phát từ bề mặt sao. Ngay cả khi nhiệt độ của hành tinh vừa phải, chỉ một đợt bùng phát cũng đủ xóa sổ sự sống. Do đó, chỉ dựa vào phương pháp quá cảnh có thể tạo ra sự thiên lệch, chỉ thấy được những ngoại hành tinh khó có khả năng tồn tại sự sống.
Để khắc phục hạn chế này, HWO dự kiến sẽ áp dụng hai phương pháp chính. Đầu tiên là sử dụng thiết bị Coronagraph, vận dụng nguyên lý tấm chắn sáng mà HabEx đề xuất. Một tấm chắn nhỏ hình tròn được đặt vào giữa đường đi của ánh sáng sao vào kính thiên văn. Khi đó, ánh sáng sao bị che khuất và ngoại hành tinh tối tăm ẩn nấp xung quanh sẽ lộ diện. Thực tế, James Webb đã thử nghiệm phương pháp này và kính thiên văn thế hệ mới sắp tới, Nancy Grace Roman, cũng sẽ áp dụng.
Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là không cần phụ thuộc vào quá cảnh. Thực tế, quá cảnh còn một vấn đề chí tử khác: chỉ có thể sử dụng khi quỹ đạo của ngoại hành tinh có góc nghiêng đủ để chắn trước ngôi sao. Nếu góc nghiêng chỉ cần lệch đi một chút, dù hành tinh có quay bao nhiêu vòng cũng không chắn trước ngôi sao, và chúng ta không thể thấy sự sụt giảm ánh sáng đáng kể nào.
Ngược lại, Coronagraph là phương pháp trực tiếp chụp ảnh hành tinh bằng cách che khuất ngôi sao chủ. Do đó, nó có thể được sử dụng bất kể hành tinh đó có quá cảnh hay không. Chúng ta sẽ có thể phát hiện thêm nhiều ngoại hành tinh mà trước đây do quỹ đạo nghiêng quá mức nên không thể xác nhận sự tồn tại qua phương pháp quá cảnh.
Tuy nhiên, vẫn còn những thách thức kỹ thuật cần giải quyết. Mục tiêu cuối cùng không phải là những hành tinh khổng lồ như Sao Mộc, mà là các hành tinh đá nhỏ bằng Trái Đất. Khi ngoại hành tinh nhỏ, ánh sáng sao phản xạ trên bề mặt nó cũng sẽ rất mờ. Để phát hiện một ngoại hành tinh ẩn mình trong ánh sáng chói của ngôi sao, cần một độ nhạy cực kỳ cao để phân biệt giữa ánh sáng rất mạnh và ánh sáng rất yếu. Cần phải có khả năng phát hiện những đốm nhỏ tối hơn ánh sáng sao đến 10 tỷ lần. Công nghệ hiện tại chỉ mới dừng lại ở mức 100 triệu lần, vì vậy vẫn còn một chặng đường dài. Đây là một trong những nhiệm vụ quan trọng cần giải quyết bằng cách tập hợp các kỹ thuật quang học tối tân nhất.
Một công nghệ đặc biệt khác sẽ được đưa vào HWO là IFU (Integral Field Unit). Các quan sát thông thường phân tích toàn bộ quang phổ ánh sáng của ngoại hành tinh. Nhưng với IFU, chúng ta có thể quan sát bằng cách chia nhỏ hình ảnh và quang phổ của hành tinh thành nhiều điểm ảnh (pixel). Thay vì nhìn tổng quát, chúng ta có thể xem xét chi tiết xem dấu hiệu của sự sống xuất hiện rõ ràng hơn ở đâu trên bề mặt hành tinh đó.
NASA đã lập ngân sách cho HWO và đang thảo luận về lịch trình phóng, dự kiến vào những năm 2040. Dù có vẻ như kế hoạch còn xa vời, nhưng khi nghĩ đến việc James Webb vốn từng bị coi là bất khả thi cuối cùng đã thành hiện thực và đang mang lại thành quả mỗi ngày, tôi tin rằng ngày HWO trở thành hiện thực cũng sẽ sớm đến.
Trong khi đó, ESA (Cơ quan Vũ trụ Châu Âu) cũng đang lên kế hoạch cho một kính thiên văn không gian chuyên tìm kiếm ngoại hành tinh và dấu hiệu sự sống. Dù nhỏ hơn HWO của NASA, nhưng vì đã có nhiều thảo luận hơn, nó dự kiến sẽ được phóng sớm hơn vào khoảng năm 2029. Kính thiên văn này có tên là ARIEL (Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey - Khảo sát lớn về ngoại hành tinh bằng viễn thám khí quyển hồng ngoại). Tên gọi này giống với nhân vật nàng tiên cá trong phim hoạt hình. Với mục tiêu tìm kiếm các ngoại hành tinh có khả năng chứa đại dương lỏng như Trái Đất, đây quả là một cái tên rất ý nghĩa.
ARIEL sẽ được gửi đến điểm L2 phía sau quỹ đạo Mặt Trăng giống như James Webb hiện nay. Kích thước của ARIEL không quá lớn. Điểm độc đáo là nó sử dụng một chiếc gương có hình dạng méo elip, đường kính dài khoảng 1m và đường kính ngắn khoảng 70cm. ARIEL sẽ khảo sát chi tiết thành phần khí quyển của hơn 1.000 ngoại hành tinh trên dải ánh sáng khả kiến và hồng ngoại. Tương tự như khảo sát thập kỷ của NAS, ESA cũng công bố "Tầm nhìn vũ trụ" (Cosmic Vision) hàng năm để đưa ra bức tranh toàn cảnh về kế hoạch thám hiểm vũ trụ, và ARIEL là một dự án vừa được xác nhận chính thức.
Cả HWO và ARIEL đều có sự khác biệt quan trọng so với các kính thiên văn mặt đất và không gian hiện nay: chúng hoàn toàn tập trung vào việc tìm hiểu các ngoại hành tinh, đặc biệt là thành phần khí quyển của chúng. Ví dụ, James Webb dù có quan sát tia hồng ngoại, nhưng vì phải thực hiện đa mục đích như quan sát thiên hà hay các ngôi sao khác, nên nó không được thiết kế để nhìn thấy các dải bước sóng hồng ngoại giúp ích cho việc nhận diện thành phần khí quyển ngoại hành tinh. Đó là sự thỏa hiệp để đạt được nhiều mục đích. Tuy nhiên, HWO và ARIEL được thiết kế chuyên biệt ngay từ đầu cho bầu khí quyển của ngoại hành tinh.
Thật thú vị khi thấy hầu hết ngành thiên văn học đều lấy việc tìm kiếm ngoại hành tinh và sự sống ngoài Trái Đất làm mục tiêu trọng tâm trong 10 đến 20 năm tới. Điều đó cho thấy vị thế của lĩnh vực này - vốn chỉ cách đây không lâu còn bị coi là tiểu thuyết khoa học viễn tưởng - đã được nâng cao đến mức nào.
Nhìn lại, trong khi nhiều ngoại hành tinh được phát hiện và số lượng các nhà thiên văn học nghiêm túc nghiên cứu về khả năng tồn tại của sự sống ngoài Trái Đất không ngừng tăng lên, thì hiếm có kính thiên văn nào chuyên dụng được tạo ra chỉ với mục tiêu duy nhất là ngoại hành tinh và dấu hiệu sự sống. (Dù đã có kính Kepler, nhưng nó cũng không nhìn kỹ vào khí quyển của ngoại hành tinh). Có thể nói, chúng ta vẫn chưa thực sự nhìn sâu vào các dấu hiệu của sự sống ngoài Trái Đất. Giờ đây, chúng ta phải xem như mọi thứ đã sẵn sàng và cuộc thám hiểm thực sự chỉ mới bắt đầu.
Tham khảo
https://science.nasa.gov/about-us/science-strategy/decadal-surveys/
https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Ariel_moves_from_blueprint_to_reality
https://arielmission.space/index.php/press-releases/
https://nap.nationalacademies.org/catalog/26141/pathways-to-discovery-in-astronomy-and-astrophysics-for-the-2020s
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Từ khi còn nhỏ, sau khi xem "Galaxy Express 999", anh đã nuôi ước mơ giới thiệu vẻ đẹp của vũ trụ đến mọi người. Hiện anh đang nghiên cứu sự tiến hóa thông qua tương tác giữa các thiên hà tại Trung tâm Nghiên cứu Tiến hóa Thiên hà và Phòng thí nghiệm Vũ trụ học tại Đại học Yonsei. Anh cũng tích cực tham gia truyền thông khoa học qua các bài giảng và bài viết. Anh là tác giả của các cuốn sách như "Đài thiên văn hẹn hò", "Suy nghĩ về vũ trụ cả ngày", "Ngôi sao, khoa học của ánh sáng".