Kính thiên văn James Webb – “người quan sát bầu trời” sau Hubble Kính thiên văn không gian Hubble lên quỹ đạo vào năm 1990 và dự kiến sẽ kết thúc công việc của mình vào khoảng 2020, sau 30 năm hoạt động. Mang tên nhà thiên văn EdwinHubble (1889-1953)-nhàkhoa học đã tạo ra cuộc cách mạngtrong thiên văn và trong tư tưởng khoahọc của nhân loại khi tìm ra bằngchứng về một vũ trụ giãn nở, chiếc kínhthiên vănnày đã khôngphụ lòng của nhữngngười mong đợi.Trong suốt chặngđườngđã quacủa mình, kính thiên văn Hubble(naygọi tắtlà Hubble) đã thực hiện các khám pháquan trọng trong hệ mặttrời (quansátsự vachạm giữ sao chổi Shomaker-Levyva chạmvào khí quyển của Sao Mộc),các ngôi sao và môi trường liênsao (vòng đời củabụi, khí, sao),các vụ nổ siêu tân tinh(siêu tân tinh1987A),lỗ đen, thiên hà, vũ trụ giãn nở và các vụ nổ vũ trụ. Thách thức đặt ra chocác nhà thiên văn và kỹ sư là phải tạo ra được một chiếc kính thiên vănmới để thay thế khiHubble “nghỉ hưu”.Nhận ra rằng việc nghiêncứu vàchế tạo một chiếc kính thiên văn phải mất vài thập kỉ, chỉ vàitháng trướckhi Hubble được phóng lên quỹ đạo, RiccardoGiacconi (1),lúcđó là giám đốc Viện khoa họckính thiên vănkhông gian (SpaceTelescope Science Institute) đã kêugọi giới thiên văn cùng thảoluận lập kế hoạch xây dựng chiếc kínhthiên văn hậu duệ của Hubble. Dự án kính thiên văn James Webb(2) củaNASAđã được triển khai từ nhiều năm nay với sự hợp tác của các cơ quan hàngkhông của Canadavà Châu Âu, dự tínhsẽ tiêu tốnkhoảng 5 tỷ USD và sẽ đượcphóngvào năm 2014. Thách thức kỹ thuật Thấu kính Thôngtin từ các vật thể thiên văn di chuyển trong khônggian dưới dạng sóng(hayánh sáng,hạt), bấtcứ kínhthiên văn nào cũng có một hệ thống thấukính để thu nhận dạng ánh sáng này và định hướngnó đi đúng vào vị trí của các máy mócphân tíchnằm đằng saukính. Đối với các nhà thiên văn thì thấu kínhchính,tiếp nhận trựctiếp ánh sáng,là đáng quan tâmnhất bởi vì nóquy địnhđộ phân giải lớn nhấtmà kính thiên văn có thể phân tích tức là cấu trúc nhỏ nhất màkính thiên văn cóthể phân biệt,đồng thời ảnh hưởngđến độ nhạy cảm tứclà độ sáng của các vật thể mà kính thiênvăn có thể nhìn thấy. Thấu kínhchính cànglớn và càngtốt sẽ cho ra hình ảnhrõ nét hơn, phân biệt đượccác vật thể nhỏ vàmờ hơn,nhìn xa hơn.Mối liên hệ giữa độ phân giảivới bước sóngvà đườngkính(D) của kínhgọi làgiới hạnnhiễu xạ: Vìvậy, một trong nhữngmục tiêu củakínhthiên vănJames Webb là phải có thấu kínhlớn hơn nhiều lầnso với Hubble.Câu hỏi tiếp theolà lớn cỡ nào, dùng loại vậtliệu gì, cấutrúc gì? Để đưa lên khônggian một cách dễ dàngthì ưu tiên hàng đầu là nhẹ, gọn, bền,ổn định và khôngđược lớn quákích thước của con tàu vũ trụ. Để thỏa mãncác điềukiện kỹ thuật và nhiệmvụ khoahọc đặt ra,một bảnthiết kế chiếc kính đường kính 6.5m bằngkim loại berylium(kim loạinhẹ thứ hai sauLithium) đã ra đời.Với độ dày chỉ 2.5mm, tổng khối lượngcủa chiếc kính là 21kg. Điểm đặc biệt là chiếckính này khôngphải là một khối thống nhất như thườnggặp mà baogồm 18kính hình lục giác đều nhỏ hơn ghép lại. Việcchia nhỏ thành 18chiếc kínhsẽ làm cho tổ hợp kính nàykhó bị biến dạng do các tácđộng bên ngoài nhưngsẽ đòi hỏi phải được mài rất nhẵnvà ghép vàonhau với độ chínhxác cực kỳ cao. Giá đỡ và tấm chắn tia mặt trời Để đođược các vậtthể có độ sáng thấp vànhỏ thì thấu kính phải cógiá đỡ để nó khôngbị rung,không làm nhòe hình ảnh và phải cótấm chắn sáng để ngăn sức nóngvà ánh sáng từ mặt trời, mặt trăng,trái đất, hànhtinh… làmnhiễu tínhiệu. Giá đỡ của kính rấtchắc chắn,cho chỉ cho phép các tấm kính xê dịch trongkhoảng cách mộtphầnmười nghìnchiều rộngcủa một cọngtóc. Tấm chắn củakính thiên văn James Webbcó kích thước khổng lồ,rộng 11m và dài 19m, bao gồm 5 lớp chồng lên nhausẽ tuyệt đối ngăn chặn tất cả tia mặttrời. Nhờ vậy, nhiệtđộ của thủy ngân - chất làm lạnh cóthể giảm xuốngchỉ còn– 218oC, chophép máy dò đo được tínhiệu củaánh sángxuất phát từ vùngxa xôi củavũ trụ 13 tỉ năm trước, ánh sáng này nay chỉ còn rất yếu. Mô hình kính thiên vănJames WebbSpace Telescope Tần số hoạt động Cách đây 100 năm, nhà vật lý vĩ đại người Đức, MaxPlanck, đã tìm ra một định luật vật lý cơ bản mangtên ông: bất kì mộtvật thể nào có nhiệtđộ lớn hơn - 273oC (0oK) sẽ phát ra mộtnguồn năng lượngtươngứng ở một tầnsố nhất địnhcủa dải tần điện từ. Dải tầnđiện từ có tần số từ vài Hz đếnvài ExaHz (1 ExaHz = 1 triệu tỉ Hz) và mắt ta chỉ có thể quansát được vật thể phát ra năng lượng ở tần số cao khoảng 450- 790 Tera Hz (1 TeraHz = 1 tỉ Hz). Dải tầnnày tương ứng với vật thể có nhiệt độ khoảng 6.000oC. Trong khiđó ánhsáng từ vũ trụ sơ khai,trải quamột hành trìnhdài lâu đã phát tán đi rấtnhiều nhiệt của mình,hay ngaycác đámmây phân tử tronggiải Ngân Hà nơi các ngôi sao hình thành, có nhiệt độ rất thấp, chỉ khoảng -263oC, theođịnh luật Plancksẽ phát ra 1 nguồn bức xạ tương ứngvới dải điện từ có tần số khoảngvài trămGiga Hz(1 Giga Hz= 1 tỉ Hz), vượtxa khỏi giới hạn quansát bằng mắt thường. Do trong không khí trái đất có rất nhiều hạt khí, bụi, đặcbiệt là hơi nước hấpthụ hoặc tánxạ ánh sáng ở dải tần hồng ngoại này, dải tần nàyvẫn còn khá mới mẻ đối với các nhà thiên vănvà kínhthiên văn JamesWebb hứa hẹn sẽ phát hiện nhiều khámphá đột phámới. Quỹ đạo Hubble bay vòngquanhtrái đất ở độ cao khoảng 600km,hoạt động ở khoảng nhiệt độ phòng thông thường(20 – 30oC), vì vật mù đối với ánhsáng hồngngoại từ các vật thể lạnh ở rất xa. Để hoạtđộng tốtở dải tần hồng ngoại, kính thiên văn James Webb phải nằmở vị trí rất ổnđịnhvà tránh được ánh sáng trực tiếp từ mặt trời. Rấtmay cho chúng ta là trong không gian tồn tại một điểm cân bằngtrọnglực giữatrái đất và mặt trời gọi làđiểm Lagrange2 (3). Điểm L2 nằm saumặt trời và trái đấtdo đó trái đấtđã tạothành mộttấm chắn to lớn che được ánh sáng của mặt trời (xemảnh). Thêm vàođó, trọng lực của trái đấtvà mặt trời cóthể giữ thăng bằnglên các vật ở điểmnày nên sẽ tốn ít lực đẩy để giữ vệ tinh cố định. Nhờ không gian lạnh vàcố định của L2 mà cáckínhthiên văn hồnngoại hiệntại (Herschel và Planck) đanghoạt động ở điểm này và vì vậy mà L2 cũng đượcchọn làmđích đến cho kínhthiên văn JamesWebb. Vị trí điểm Lagrange 2 Điểm bất lợi của quỹ đạo này là nó nằm quaxa trái đất nên trong trường hợp hư hỏng, người ta khôngthể gửingười lên để sữa chữa như đã từnglàm với kính thiên văn Hubble. Nhiệm vụ khoa học của kính thiên văn James Webb Ánh sáng đầu tiên Với độ phân giải và độ nhạy cao, nhiệm vụ chínhcủa kính thiên văn James Webblà đo đạc ánh sánhđầu tiên của vũ trụ, tức ánhsáng củacác ngôi sao đầu tiên, hình thành 400triệu nămsau vụ nổ lớn và kỷ nguyên tái-ion-hóa. Trướcđó vũ trụ tuyệt nhiên tối đen, không ngôisao, không thiên hà nào tồn tại,vũ trụ chỉ bao gồm một bát súp các hạtcơ bản như electronvà proton tự do đang trong quá trìnhnguội lại. Đến khoảng 400năm, cáchạt nàyđã nguội đủ để có thể hình thành các nguyên tử hydro (nguyên tử hydro gồm một electron và một proton),nhờ vậy mà ánh sáng khôngbị tánxạ bởi các hạt electrontự dovà chúng ta có thể dò được dưới dạng bức xạ nền vũ trụ. Sau đó , những ngôi saođầu tiên được hìnhthành và lý thuyết đoán rằngchúng rất nặng (30đến 300 trăm lần nặng hơnmặttrời) và rấtsáng (vài triệulần sáng hơnmặt trời), đã bốc cháy thành các vụ nổ lớn chỉ sauvài triệu năm (rấtngắn so với vòng đờicủa mặt trời là 10tỉ năm). Tìm rađược thời điểm hình thành các ngôi saonày và tính chất của nó,lịch sử vũ trụ sẽ đượchiểu rõ hơn. Sự hình thành thiên hà Thiênhà hình thành như thế nào? Những thiên hà đầu tiênhình thànhra sao? Làm sao mà các dạng thiên hà khác nhaunhư hiện nayđược hình thành?Mối liên hệ giữacácthiên hà vàlỗ đen khổnglồ ở giữa thiênhà? Mối liên hệ giữa các thiên hà và cấutrúc lớn của vũ trụ lànhư thế nào? Tất cả các câu hỏicơ bản nàysẽ được kính thiên vănJames Webb giải quyết được phần nào nhờ ánh sáng của các thiên hà xa xôi sẽ rơi vào đúng dải tầnmà kính thiên văn James Webb quansát,đồng thời độ phân giải cao và độ nhạy caosẽ chophép chúng ta quan sátđược nhiều dạng thiên hàở các độ tuổi khác nhau, các môi trườngkhác nhau. Lịch sử vũ trụ theolý thuyết BigBang (trên trái), quá trinhhình thành và kết cấu thiên hà(trên phải), quátrình hình thành sao (dưới trái),quá trình hình thành hành tinh (dưới phải). Sự khai sinh của các ngôi sao và hệ đĩa tiền-hành-tinh Ngôisao là đơn vị cấu thànhcủa thiênhà, ngôi saocũng là cơ thể mẹ của các hành tinh và cung cấp điềukiện đầu tiên cho các đĩatiền hànhtinh và hành tinh hình thành.Hiểu rõ ngôi sao hình thành như thế nào tức là hiểu thêm thiênhà, vũ trụ tiến hóa ra saocũng như hành tinh, sự sốngphát triển như thế nào. Quátrình hình thành của một ngôisao là một cuộc chiến giữatrọng lực và phản lực bắt nguồn chủ yếu từ nhiệt độ, từ trường và độ hỗnđộn. Nhưng cáclực nàybắt nguồnnhư thế nào, hoạt độngra sao, ảnh hưởngchừng nào vẫnlànhững câu hỏi mở.Các thiết bị chụp hình và quang phổ của kínhthiên văn JamesWebb sẽ cho phép ta nghiên cứu các ngôisao rất trẻ đang còn nằm trongcơ thể mẹ đầy bụi củacác đámmây phân tử. Đây là mộttrong những khả năng chỉ có thể thực hiện được ở dải tần hồng ngoại. Nguồn gốcsự sống vàcác hànhtinh khác Hành tinhhình thànhtrong đĩatiền hành tinh, ở giai đoạn đầu tiêncủa quá trình hìnhthành sao. Kính thiên văn JamesWebb sẽ phântích đượcthành phần hóahọc, đặcbiệt là thànhphầnhóa học hữu cơ của các ngôisao trẻ và đĩa tiền hành tinhđể tìm mối liên hệ giữa các thành phần hóa học hữu cơ nàygiữa cácngôi sao trẻ với các thành phần hóahọc hữu cơ củasự sống. Kính thiên vănJames Webbcũng sẽ nghiên cứu cáchành tinhtrong hệ mặt trời, các hànhtinh bên ngoài hệ mặt trời, các vật thể lạnh chứa đầybụi như saochổi, sao băng hìnhthành từ giai đoạn đầu của sao hiện vẫn đang chudu trong hệ mặt trời. Kínhthiên văn Hubble trong quá trình hoạt động 20 năm qua củamìnhđã giúpcác nhà thiên vănhọc khám phá những miền đất mới lạ, những hiện tượngkỳ thú của vũ trụ. Nhữngnhà thiên văn học kỳ vọng kính thiên văn James Webb được hoàn thành trong vài năm tớicũng sẽ trở thành “trợ thủ đắc lực”của họ trong hành trìnhkhámphá vũ trụ. . Kính thiên văn James Webb – “người quan sát bầu trời” sau Hubble Kính thiên văn không gian Hubble lên quỹ đạo vào năm 1990 và dự kiến sẽ kết thúc công việc của mình vào khoảng 2020, sau 30. đã từnglàm với kính thiên văn Hubble. Nhiệm vụ khoa học của kính thiên văn James Webb Ánh sáng đầu tiên Với độ phân giải và độ nhạy cao, nhiệm vụ chínhcủa kính thiên văn James Webblà đo đạc ánh. thiên văn cùng thảoluận lập kế hoạch xây dựng chiếc kínhthiên văn hậu duệ của Hubble. Dự án kính thiên văn James Webb( 2) củaNASAđã được triển khai từ nhiều năm nay với sự hợp tác của các cơ quan