[비즈한국] Một kính viễn vọng không gian khác nối tiếp di sản của Hubble và James Webb đã hướng về phía vũ trụ. Đó chính là Kính viễn vọng không gian Nancy Grace Roman, được phóng lên bằng tên lửa Falcon Heavy từ bệ phóng số 39 tại Trung tâm Vũ trụ Kennedy, Mỹ vào ngày 30 tháng 8 vừa qua (giờ địa phương).
Nói một cách đơn giản, Roman là kính viễn vọng có kích thước mắt nhìn tương đương với Hubble nhưng có khả năng quan sát bầu trời rộng gấp khoảng 100 lần. Với khả năng này, Roman có thể nhanh chóng quét qua một vùng vũ trụ rộng lớn, thực hiện trong vòng một tháng những quan sát mà Hubble phải mất tới 100 năm mới hoàn thành. Bản chất của nó hoàn toàn khác biệt so với các kính viễn vọng trước đây vốn tập trung quan sát sâu vào một thiên thể nhất định.
Mẹ của Hubble, Nancy Grace Roman
Nancy Grace Roman là người lãnh đạo chương trình thiên văn học vũ trụ tại NASA vào năm 1959, thời điểm mà khái niệm về kính viễn vọng không gian còn rất xa lạ và bị nhiều người hoài nghi. Về sau, bà đã đóng vai trò quan trọng trong việc hiện thực hóa giấc mơ vĩ đại dẫn đến sự ra đời của Kính viễn vọng không gian Hubble bằng cách thuyết phục thành công Quốc hội vốn rất khó tính. Chính vì thế, bà thường được gọi là "Mẹ của Hubble".
Cái tên ban đầu của kính viễn vọng này vốn dĩ rất bình thường. Nó được gọi là WFIRST (Kính viễn vọng Khảo sát Hồng ngoại Trường rộng) để phản ánh khả năng quan sát vũ trụ bằng hồng ngoại với tầm nhìn rộng. Tuy nhiên, sau khi Nancy Roman qua đời vào năm 2018, kính viễn vọng này đã được đặt theo tên bà để tôn vinh những cống hiến của bà. Có thể nói, người từng góp phần tạo nên Hubble nay đã trở thành cái tên đại diện cho một kính viễn vọng không gian khác để ngắm nhìn vũ trụ.
Nhìn bầu trời rộng gấp 100 lần với tấm gương tương đương Hubble
Gương chính của Roman có đường kính 2,4m, bằng chính xác với Hubble. Nếu so với James Webb – vốn sở hữu gương chính khổng lồ được ghép lại từ nhiều mảnh gương nhỏ – thì Roman có vẻ như là một kính viễn vọng khiêm tốn. Tuy nhiên, điểm cốt lõi của Roman không nằm ở kích thước gương mà ở hệ thống quang học và phương thức quan sát.
Nếu Hubble chuyên biệt cho việc nhìn sâu và chính xác vào một vùng hẹp trên bầu trời, thì Roman được thiết kế để quan sát những khu vực rộng lớn hơn cùng lúc với cùng độ chính xác.
Ở các kính viễn vọng thông thường, ánh sáng thu được sẽ tập trung rõ nét nhất tại trung tâm thị trường. Ngược lại, vì Roman cần bao quát một trường nhìn rất rộng, hệ thống quang học của nó được cấu tạo để duy trì chất lượng hình ảnh đồng đều ngay cả ở các vùng rìa bao quanh tâm. Các cảm biến cũng không chỉ tập trung ở giữa thị trường mà được sắp xếp để bao phủ hiệu quả toàn bộ mặt phẳng tiêu diện rộng lớn.
Camera trường rộng của Roman đạt độ phân giải khoảng 300 triệu pixel. Kích thước bầu trời mà mỗi điểm ảnh (pixel) đảm nhận là khoảng 0,11 giây cung, và diện tích bầu trời có thể chụp được trong một lần lớn hơn cả mặt trăng tròn. Nếu so với thị trường của Hubble, nó rộng hơn tới gần 100 lần.
Tuy nhiên, chỉ mở rộng thị trường thôi là chưa đủ để giải quyết mọi vấn đề. Với thị trường hẹp, ta chỉ cần làm rõ vật thể mục tiêu ở giữa khung hình, nhưng thị trường càng rộng thì số lượng các ngôi sao và thiên hà xuất hiện trong một khung hình càng tăng lên đáng kể. Bất kể vật thể nằm ở vị trí nào trong khung hình cũng phải hiển thị rõ nét như nhau, và ánh sáng sao phải được hội tụ ổn định trên toàn bộ mặt phẳng tiêu diện rộng. Roman chính là nơi hội tụ các công nghệ quang học tinh vi để hiện thực hóa điều này.
Tại sao cần có Roman?
Dù đã có Hubble, James Webb và nhiều kính viễn vọng không gian khác đang hoạt động, lý do cần có thêm Roman là rất rõ ràng. Vai trò của Roman hoàn toàn khác biệt so với các kính viễn vọng hiện tại.
Tại một thời điểm nhất định, khu vực mà Roman có thể quan sát chiếm tới khoảng 59% toàn bộ bầu trời. Thay vì quan sát sâu và lâu vào một thiên thể riêng lẻ như Hubble, Roman giống như một kính viễn vọng khảo sát, quét nhanh bầu trời rộng để tìm ra các thiên thể và hiện tượng đa dạng như siêu tân tinh, ngoại hành tinh và các thiên hà.
Khi Roman quét bầu trời rộng và phát hiện ra một thiên thể đặc biệt, Hubble hoặc James Webb sau đó có thể thực hiện quan sát sâu và chi tiết hơn vào mục tiêu đó. Việc phân chia vai trò hiệu quả giữa Roman – kẻ phát hiện mục tiêu trên phạm vi rộng – và Hubble/James Webb – những thiết bị quan sát chính xác một thiên thể cụ thể – là hoàn toàn khả thi.
Ở khía cạnh này, nhiệm vụ của Roman khá tương đồng với Kính viễn vọng không gian Euclid của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu đã bay vào không gian trước đó. Euclid quan sát khoảng 15.000 độ vuông bầu trời. Khu vực khảo sát của Roman nhỏ hơn, nhưng nó quan sát vũ trụ với độ phân giải không gian cao hơn.
Đài quan sát Vera C. Rubin tại Chile, vốn vừa bắt đầu quan sát chính thức, cũng quét nhanh bầu trời bằng ánh sáng khả kiến với camera khổng lồ 3,2 tỷ pixel. Đài quan sát Rubin có thị trường rộng hơn nhiều so với Roman, nhưng vì là kính viễn vọng mặt đất nên nó không thể thoát khỏi sự nhiễu loạn của khí quyển. Thay vào đó, cả hai cùng quan sát một vùng trời: Rubin qua ánh sáng khả kiến, còn Roman qua cận hồng ngoại. Việc kết hợp hai nguồn dữ liệu này sẽ giúp so sánh đặc tính của vô số thiên thể vốn thay đổi tùy theo bước sóng.
Bản đồ vũ trụ khổng lồ mà Roman sẽ phác họa sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu vật chất tối và năng lượng tối ẩn giấu khắp vũ trụ. Phương pháp thứ nhất là thấu kính hấp dẫn. Vật chất tối tồn tại khắp nơi trong vũ trụ làm cong không gian-thời gian, khiến hình ảnh các thiên hà phía sau nó bị biến dạng và kéo dài nhẹ.
Chỉ quan sát một thiên hà sẽ khó biết được hình dạng gốc của nó là gì, dẫn đến việc khó đánh giá chính xác mức độ biến dạng. Tuy nhiên, nếu quan sát hàng trăm triệu thiên hà cùng lúc và so sánh về mặt thống kê, câu chuyện sẽ khác. Bằng cách phân tích xem trung bình hình ảnh các thiên hà bị bẻ cong và kéo dài bao nhiêu theo hướng nào, ta có thể truy ngược lại sự phân bố của vật chất tối nằm ở giữa. Thị trường rộng của Roman đặc biệt thuận lợi cho việc đo lường hiệu ứng thấu kính hấp dẫn yếu này trên quy mô lớn.
Đọc lịch sử giãn nở của vũ trụ thông qua sự phân bố của thiên hà
Phương pháp thứ hai là vẽ sơ đồ phân bố 3D của các thiên hà trong không gian vũ trụ.
Bằng cách sử dụng quang phổ kế lắp trên Roman để đo quang phổ của từng thiên hà và xác định dịch chuyển đỏ, chúng ta có thể ước tính khoảng cách đến các thiên hà đó. Qua đó, ta có thể tạo ra một bản đồ thiên hà khổng lồ bao gồm không chỉ vị trí 2D trên bầu trời mà cả thông tin chiều sâu dựa theo khoảng cách.
Trong đó còn lưu lại dấu vết của 'Dao động âm thanh Baryon (BAO)' – dấu vết được tạo ra vào thời điểm vật chất và ánh sáng trong vũ trụ sơ khai sau Big Bang còn gắn kết với nhau. Bằng cách đo đạc khoảng cách trung bình giữa các thiên hà và theo dõi sự thay đổi của khoảng cách đó theo lịch sử vũ trụ, ta có thể tìm ra lịch sử giãn nở của vũ trụ.
Cuối cùng, đây trở thành manh mối quan trọng để xác định trong vũ trụ có bao nhiêu vật chất tối và năng lượng tối, cũng như năng lượng tối đã gây ảnh hưởng thế nào đến sự giãn nở của vũ trụ.
Phương pháp thứ ba là quan sát lặp đi lặp lại những thay đổi của vũ trụ theo thời gian.
Roman sẽ quan sát cùng một vùng trời theo những khoảng thời gian định kỳ. Việc chụp cùng một khu vực nhiều lần giúp phát hiện các thiên thể bất ngờ xuất hiện hoặc biến mất trong vài ngày, đồng thời có thể ghi lại sự thay đổi ánh sáng của các ngôi sao vốn sáng lên rồi tối đi theo chu kỳ nhất định.
Thông qua các quan sát chuỗi thời gian này, các nhà thiên văn học kỳ vọng sẽ phát hiện hơn 20.000 siêu tân tinh mới. Siêu tân tinh là những thiên thể vô cùng quan trọng để hiểu về sự tiến hóa của vũ trụ. Vì chúng rất sáng nên có thể quan sát được từ khoảng cách rất xa, và một số loại siêu tân tinh nhất định được sử dụng làm "nến tiêu chuẩn" để đo khoảng cách thiên văn. Khái niệm năng lượng tối cũng bắt nguồn từ nghiên cứu sử dụng siêu tân tinh để đo khoảng cách đến các thiên hà xa xôi và khảo sát lịch sử giãn nở của vũ trụ.
Đặc biệt, hai kiểu quan sát sử dụng sự phân bố không gian của thiên hà và siêu tân tinh gần đây đã mang ý nghĩa thú vị hơn trong vũ trụ học. Các nghiên cứu gần đây đo đạc dao động âm thanh Baryon trên khắp vũ trụ đang đặt ra khả năng năng lượng tối có thể thay đổi theo thời gian và cường độ của nó dường như đang giảm dần. Trong khi đó, vấn đề về việc liệu độ sáng của chính siêu tân tinh có thay đổi đôi chút theo thời kỳ vũ trụ hay không cũng được đặt ra. Trường hợp này cũng có thể liên kết với khả năng năng lượng tối không phải lúc nào cũng hằng định.
Đây là thời điểm mà những cuộc tranh luận mới bắt đầu xoay quanh bản chất của năng lượng tối – một trong những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ học từ lâu. Chính lúc này, bản đồ thiên hà quy mô lớn và quan sát siêu tân tinh mà Roman thực hiện lại mang ý nghĩa đặc biệt quan trọng.
Cuộc cách mạng khác mà Roman sẽ mang lại: Dữ liệu
Sự đổi mới quan trọng của Roman không chỉ nằm ở thiết bị quan sát mà còn ở cách xử lý dữ liệu. Roman dự kiến sẽ tạo ra khoảng 1,4 TB dữ liệu quan sát mỗi ngày. Tổng dung lượng dữ liệu tích lũy trong 5 năm sẽ đạt khoảng 20 PB (petabyte, 10 mũ 15). Đây là quy mô lớn hơn nhiều so với tổng dữ liệu mà Hubble tích lũy được trong vài thập kỷ qua.
Điểm quan trọng hơn là dữ liệu này sẽ không bị độc quyền bởi một nhóm nghiên cứu cụ thể trong thời gian dài, mà sẽ được công khai cho các nhà thiên văn học trên toàn thế giới ngay khi quá trình tiền xử lý hoàn tất.
Tuy nhiên, vì dung lượng dữ liệu quá lớn, cách tải trực tiếp toàn bộ tài liệu xuống máy tính cá nhân để phân tích là không thực tế. Thay vào đó, cách thức lưu trữ dữ liệu khổng lồ tại một nơi và để các nhà nghiên cứu truy cập vào môi trường đám mây (cloud) để thực hiện phân tích cần thiết sẽ trở nên quan trọng.
Vì lượng dữ liệu vượt xa khả năng xem xét thủ công của con người, vai trò của trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (machine learning) cũng ngày càng lớn. Các công cụ học máy đang được phát triển để tạo ra những hình ảnh có độ phân giải cao tương tự như quan sát thực tế, tự động phân loại vô số thiên hà và tìm ra các thiên thể lạ có độ sáng thay đổi đột ngột.
Trong quá khứ, các dự án khoa học công dân có sự tham gia của người dân trên toàn thế giới đã đóng vai trò quan trọng trong việc phân loại dữ liệu thiên văn khổng lồ. Giờ đây, kết quả từ khoa học công dân tích lũy được như vậy lại trở thành dữ liệu đào tạo tuyệt vời để huấn luyện AI. Có thể nói, kỷ nguyên mà AI sau khi học được vũ trụ do con người phân loại sẽ tiếp tục phân tích một vũ trụ rộng lớn hơn một cách nhanh chóng và hiệu quả đã bắt đầu.
Một vũ trụ mới rộng lớn và chính xác
Vũ trụ mà Hubble và James Webb cho thấy đã để lại ấn tượng sâu sắc trong lòng nhân loại. Nhưng Roman là một kính viễn vọng ở một tầm vóc khác. Nếu Hubble và James Webb đào sâu vào một vùng nhỏ cụ thể của vũ trụ một cách chính xác, thì Roman lại nhìn bao quát toàn bộ vũ trụ rộng lớn cùng lúc bằng đôi mắt tinh tường không kém. Một tấm ảnh mà Roman chụp không chỉ chứa vài ngôi sao sáng hay một thiên hà rực rỡ. Vô số ngôi sao và thiên hà sẽ được ghi lại cùng lúc, và cả sự phân bố của vật chất tối lấp đầy khoảng không giữa chúng cũng như lịch sử giãn nở của vũ trụ sẽ được khắc ghi cùng nhau.
Khi một đôi mắt mới mở ra để ngắm nhìn vũ trụ, hình ảnh về vũ trụ mà chúng ta từng biết cũng có thể thay đổi. Vũ trụ tiếp theo mà Kính viễn vọng không gian Nancy Grace Roman cho thấy, sẽ là một hình ảnh khác biệt so với vũ trụ mà Hubble và James Webb đã mở ra.
Tác giả Ji Ung-bae là ai? Yêu mèo và vũ trụ. Từ khi còn nhỏ, sau khi xem ‘Galaxy Express 999’, anh đã nuôi giấc mơ phổ biến vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện là Giáo sư trợ lý tại Khoa Tự do, Đại học Sejong, anh cũng tham gia nhiều hoạt động truyền thông khoa học như thuyết trình và viết lách. Anh đã viết các cuốn sách như ‘Về sự vô dụng của nhà thiên văn học’, ‘Chúng ta đều được sinh ra là nhà thiên văn học’, ‘Những câu hỏi kỳ lạ hiện ra khi ngắm nhìn vũ trụ’, và dịch các tác phẩm như ‘Làm thế nào tôi giết sao Diêm Vương’, ‘Quantum Life’, ‘UFO’.