[비즈한국] Sử dụng dữ liệu từ kính thiên văn vũ trụ James Webb, một mảnh ghép của bản đồ vũ trụ vĩ đại nhất trong lịch sử đã được hoàn thiện. Và giờ đây, bất kỳ ai cũng có thể khám phá mọi ngóc ngách của tấm bản đồ này. Thoạt nhìn, có lẽ bạn sẽ thấy nó trông giống như một bức ảnh tầm thường chẳng có gì đặc biệt. Tuy nhiên, nếu trực tiếp quan sát kỹ bức ảnh, suy nghĩ đó của bạn sẽ thay đổi.
Bạn còn nhớ những hình ảnh "Deep Field" đầu tiên được công bố từ quan sát của James Webb vào tháng 7 năm 2022 không? Vùng trời mà bức ảnh đó ghi lại thực sự rất nhỏ. Nó nhắm vào một diện tích bầu trời hẹp đến mức chỉ cần dùng một hạt cát nhỏ đặt ở đầu ngón tay duỗi thẳng là có thể che khuất được. Như vậy, tầm nhìn của James Webb rất hạn hẹp. Nếu muốn lấp đầy bản đồ của toàn bộ vũ trụ bằng tầm nhìn nhỏ bé chỉ bằng hạt cát đó, sẽ cần một khoảng thời gian vô cùng dài.
Thế nhưng, mảnh ghép bản đồ vũ trụ vừa được hoàn thiện lần này lại bao quát một diện tích lớn đến mức đủ để lấp đầy cả một mặt trăng tròn trên bầu trời. Nếu nghĩ đến việc tầm nhìn mà James Webb thu được mỗi lần là hẹp đến mức nào, bạn có thể cảm nhận được lượng dữ liệu quan sát khổng lồ đã được huy động cho mảnh ghép bản đồ này. Chỉ riêng trong bức ảnh được công bố lần này đã chứa hơn 800.000 thiên hà. Bất kỳ ai cũng có thể tự mình xem ảnh ở độ phân giải cao, vì vậy tôi hy vọng các bạn hãy trực tiếp kiểm tra.
Khi chụp ảnh Deep Field, có vẻ như chỉ cần chụp ở bất kỳ hướng nào là được, nhưng thực tế không phải vậy. Ngay cả khi nhắm vào một khoảng trời đen ngòm dường như chẳng có gì ở đó, việc thiết lập mục tiêu cũng cần sự tinh tế cực kỳ. Bởi vì trên bầu trời xung quanh chúng ta có đủ loại vật cản chắn tầm nhìn, che khuất ánh sáng mờ nhạt từ vũ trụ cách đây 13 tỷ năm.
Trước hết, đĩa thiên hà của Ngân Hà nơi chúng ta đang sinh sống là vật cản gây phiền toái nhất. Chúng ta đang sống ở vùng ngoại vi của một đĩa thiên hà khổng lồ với đường kính 100.000 năm ánh sáng. Dải Ngân Hà (Milky Way) mà chúng ta thấy chính là mặt cắt của đĩa thiên hà đó khi nhìn từ bên cạnh. Dải Ngân Hà này che khuất khoảng 20-30% toàn bộ tầm nhìn bầu trời đêm trên đầu chúng ta. Khu vực bị che khuất bởi Ngân Hà thậm chí còn bị gọi bằng cái tên miệt thị là "vùng tránh né" (Zone of Avoidance). Để chụp được những bức ảnh Deep Field sắc nét, trước hết phải nhắm vào bầu trời không bị Ngân Hà che khuất.
Khi chụp ảnh Deep Field bằng James Webb, còn một điều nữa cần phải lưu ý. James Webb quan sát vũ trụ trong dải hồng ngoại. Tuy nhiên, trong không gian vũ trụ có các đám mây bụi khí chứa hydro trôi nổi khắp nơi. Những đám mây này được làm ấm nhẹ bởi ánh sáng của các ngôi sao và thiên hà xung quanh, và chúng phát ra ánh sáng hồng ngoại rõ rệt. Nếu một đám mây khí khổng lồ đang lan rộng và che khuất vũ trụ nền phía sau, ánh sáng hồng ngoại mờ nhạt đến từ vũ trụ xa xôi ẩn nấp phía sau sẽ bị chôn vùi. Do đó, nơi mà James Webb có thể nhắm tới để chụp Deep Field phải là hướng không bị che khuất bởi các đám mây khí.
Trên thực tế, khi kính thiên văn vũ trụ Hubble thực hiện chụp những bức ảnh Deep Field mang tính lịch sử trước đây, họ cũng đã xem xét kỹ lưỡng tất cả các điều kiện đa dạng này để quyết định hướng nhắm. Kết quả là họ đã nhắm vào một khoảng trời nhỏ gần chòm sao Đại Hùng (Big Dipper), và phát hiện hàng ngàn thiên hà trong một mảnh trời nhỏ bằng lỗ kim.
Tuy nhiên, Hubble cũng có giới hạn. Hubble chủ yếu quan sát trong dải ánh sáng khả kiến. Nhờ các phi hành gia trực tiếp lên thay thế thiết bị mới, nó cũng quan sát được một phần tia hồng ngoại và tia cực tím. Nhưng với chừng đó vẫn không đủ để nhìn thấy thời kỳ tái ion hóa, khi các ngôi sao và thiên hà nguyên thủy bắt đầu phát ra ánh sáng lần đầu tiên trong lịch sử vũ trụ ngay sau Big Bang. Bởi vì trong suốt 13,8 tỷ năm qua, vũ trụ đã giãn nở đồng nhất khiến bước sóng ánh sáng từ vũ trụ xa xôi bị kéo dài ra một cách kịch tính hơn. Để nhìn thấy ánh sáng từ quá khứ xa xôi không lâu sau Big Bang, cần phải nhìn vào ánh sáng có bước sóng dài hơn, lên tới hồng ngoại trung. James Webb đang thực hiện công việc đó.
Bản đồ vũ trụ được công bố lần này được tạo ra bằng cách sử dụng dữ liệu Cycle 1 thu được trong năm đầu tiên hoạt động của kính thiên văn vũ trụ James Webb. Một trong những mục tiêu chính của James Webb là trực tiếp quan sát thời kỳ tái ion hóa, thời điểm mà người ta cho rằng các ngôi sao và thiên hà rực rỡ thuở sơ khai đã ion hóa toàn bộ vũ trụ trong một khoảng thời gian. Thời kỳ này là thời điểm vũ trụ mới chỉ trải qua từ 300 triệu đến 500 triệu năm sau Big Bang. Điều này có nghĩa là chúng ta đang nhìn lại hình ảnh của vũ trụ cách đây 13,5 tỷ năm, khi nó thực chất mới chỉ sống được 1-2% tuổi đời hiện tại.
Để làm được điều này, các nhà thiên văn học đang thực hiện một dự án có tên là Cosmic Evolution Survey, gọi tắt là COSMOS. Trong dự án này, James Webb nhắm vào một vùng không gian đen tối, vắng vẻ, không có thiên hà đặc biệt hay đám mây khí nào. Chính vì vậy, nó hướng về phía chòm sao Lục Phân Nghi (Sextans), một chòm sao rất nhỏ có thể nhìn thấy ở bầu trời Nam bán cầu, nơi khá mờ nhạt so với bầu trời Bắc bán cầu có nhiều cảnh quan hơn. (Đáng tiếc là chúng ta không thể thấy vùng COSMOS từ Hàn Quốc.)
Trong một năm qua, James Webb đã tranh thủ thu thập ánh sáng nguyên thủy đến từ bầu trời nhỏ gần chòm sao Lục Phân Nghi. Tổng thời gian phơi sáng để thu thập ánh sáng đó lên tới 255 giờ. Bằng cách sử dụng thiết bị NIRCam của James Webb, các hình ảnh màu đã được tạo ra với các bước sóng hồng ngoại khác nhau (F115W, F150W, F277W, F444W). Góc nhìn mà James Webb có thể nhìn thấy mỗi lần thực sự rất nhỏ. Nó chỉ nhìn vào một vùng 0,18 deg² (độ vuông), nhỏ hơn nhiều so với mặt trăng tròn. Đó là một vùng trời nhỏ như một hạt cát. Họ đã chắp vá mảnh trời nhỏ bé này từng chút một để lấp đầy bản đồ của một vùng trời lớn hơn nhiều, lên tới tổng cộng 0,54 deg². Họ đã gom những mảnh nhỏ bằng hạt cát để vẽ nên tấm bản đồ rộng lớn như mặt trăng tròn.
Đây là một mảnh ghép bản đồ vũ trụ sâu nhất và cũng vĩ đại nhất mà nhân loại từng tạo ra trong lịch sử. Chỉ trong một bức ảnh này, hơn 800.000 thiên hà ở các khoảng cách khác nhau đã được xác định. Trong đó, ánh sáng của các thiên hà lưu giữ ký ức từ quá khứ cách đây hơn 13 tỷ năm cũng hòa quyện một cách mờ nhạt. Đây là một kết quả khổng lồ khi so sánh với ảnh Hubble Deep Field trước đây. Trong các bức ảnh Hubble Deep Field lớn nhất trước đây, số lượng thiên hà chứa trong đó cũng chỉ tối đa khoảng 10.000. Thế nhưng, James Webb đã bắt được ánh sáng của hơn 800.000 thiên hà chỉ trong mảnh trời nhỏ bé này.
Vì ngay từ đầu đã chọn nhắm vào hướng trống trải nhất, nơi tầm nhìn gần như không bị cản trở bởi các ngôi sao và đám mây khí của Ngân Hà, nên trong ảnh hầu như không có ngôi sao rực rỡ nào thuộc Ngân Hà của chúng ta. Thay vào đó, nếu quan sát kỹ, bạn cũng có thể thấy những hình ảnh thấu kính hấp dẫn đang biến dạng một cách tinh vi ở mọi ngóc ngách, cho thấy sự bẻ cong của không-thời gian. Bất kỳ ai cũng có thể dễ dàng tự mình chiêm ngưỡng vẻ đẹp này. Tôi hy vọng độc giả có thể trực tiếp khám phá mọi ngóc ngách của mảnh ghép đầu tiên trong bản đồ vũ trụ của James Webb thông qua đường link bên dưới. Ngay cả khi phóng to bức ảnh vô tận, bạn vẫn sẽ bắt gặp những thiên hà mờ ảo lần lượt hiện ra.
Khi James Webb bay lên, chúng ta nhận ra sự thật rằng vũ trụ đã mang vẻ đẹp như hiện nay từ thời điểm sớm hơn nhiều so với những gì chúng ta từng nghĩ. Vũ trụ sơ khai được nhìn qua James Webb cho thấy số lượng thiên hà nhiều gấp 10 lần so với mức chúng ta dự đoán ban đầu. Hơn nữa, đó không phải là những thiên hà lùn nhỏ bé chưa hình thành hình dạng rõ ràng, mà hầu hết là những thiên hà trưởng thành với cấu trúc thanh chắn và các nhánh xoắn ốc rõ nét. Thậm chí, trong vũ trụ sơ khai, người ta còn phát hiện ra những lỗ đen khổng lồ nặng tương đương với các lỗ đen siêu khối lượng đang trú ngụ tại trung tâm các thiên hà ngày nay. Một vũ trụ "già trước tuổi", trông như đã 10 tỷ năm tuổi dù tuổi đời chỉ chưa đầy 1 tỷ năm, đã được hé lộ.
Trên thực tế, mặt trăng tròn cũng không chiếm diện tích quá rộng trên bầu trời đêm. Nó trông nhỏ đến mức có thể bị che khuất bởi một ngón tay đặt ở đầu cánh tay duỗi thẳng. Và giờ đây, chúng ta mới chỉ lấp đầy được một mảnh ghép nhỏ đủ để che khuất một mặt trăng tròn đó. Hãy nghĩ về bầu trời bao la trải dài trên đầu chúng ta. Cần bao nhiêu mặt trăng tròn để che phủ toàn bộ bầu trời? Tính toán đơn giản thì cần khoảng hơn 210.000 mặt trăng tròn. Chúng ta mới chỉ hoàn thành được đúng một mảnh ghép trong số 210.000 mảnh ghép đó.
Chiều sâu của mảnh ghép nhỏ bé đó chứa đựng 13,8 tỷ năm thời gian. Và giữa những thiên hà đang tỏa sáng rực rỡ mà mắt thường có thể thấy, có đầy rẫy vật chất tối và năng lượng tối mà đáng tiếc là chúng ta không thể nhìn thấy bằng mắt thường. Galileo, nhà thiên văn học người Ý ở thế kỷ 17, là người đầu tiên trong lịch sử nhìn lên bầu trời đêm bằng kính thiên văn và ghi chép tỉ mỉ những câu chuyện mà ánh sao kể lại. Ông đã xuất bản những khám phá của mình trong một cuốn sách có tên "Sidereus Nuncius". Đó là một cái tên mang ý nghĩa đẹp đẽ: "Người truyền tin từ các vì sao". Đúng vậy. Chẳng phải đó chính là công việc của thiên văn học hay sao?
Chúng ta giờ đây đang truyền đi những tin tức từ các vì sao đã bay qua chặng đường dài 13,8 tỷ năm. Chắc hẳn những ánh sáng đêm tích tụ qua thời gian dài đằng đẵng đó có biết bao nhiêu câu chuyện muốn kể cho chúng ta nghe. Trong mảnh ghép nhỏ được tách ra từ bầu trời đêm, câu chuyện dài đằng đẵng của vũ trụ đã được cô đọng lại.
Tham khảo
https://cosmos.astro.caltech.edu/page/cosmosweb
https://cosmos2025.iap.fr/fitsmap/?ra=150.1203188&dec=2.1880050&zoom=1
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2023ApJ...954...31C/abstract
Tác giả Ji Ung-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Khi còn nhỏ, sau khi xem bộ phim 'Galaxy Express 999', anh đã nuôi dưỡng ước mơ truyền bá vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện tại, 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 thuộc Đại học Yonsei, đồng thời tham gia nhiều hoạt động truyền thông khoa học như thuyết trình và viết lách. Anh đã viết các cuốn sách như 'Đài thiên văn đang hẹn hò', 'Suy nghĩ về vũ trụ suốt cả ngày', 'Sao, khoa học của ánh sáng'.