Nghiên cứu cấu trúc quang học trong kính thiên văn không gian james webb

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN VĂN THANH NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC QUANG HỌC TRONG KÍNH THIÊN VĂN KHƠNG GIAN JAMES WEBB LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÍ Chuyên ngành: Quang học Mã số chuyên ngành: 44 01 10 Long An, Năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN VĂN THANH NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC QUANG HỌC TRONG KÍNH THIÊN VĂN KHƠNG GIAN JAMES WEBB LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 44 01 10 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS-TS NGUYỄN VĂN PHÚ Long An, năm 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ chuyên ngành quang học “nghiên cứu cấu trúc quang học kính thiên văn khơng gian James Webb” kết trình học tập, nghiên cứu khoa học độc lập, nghiêm túc Các số liệu luận văn trung thực, có nguồn gốc rõ ràng, trích dẫn có tính kế thừa, phát triển từ số liệu, tạp chí, cơng trình nghiên cứu công bố, website Các phương pháp nghiên cứu luận văn rút từ sở lý luận trình nghiên cứu Long An, tháng năm 2018 Nguyễn Văn Thanh ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Nguyễn Văn Phú tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi suốt thời gian nghiên cứu hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trường Đại học Vinh, trường Đại học Kinh tế Kĩ Thuật Long An tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ suốt thời gian học tập nghiên cứu Tôi xin chân thành cám ơn gia đình tơi Ban Giám Hiệu quý thầy cô trường THPT Thái Hòa động viên, giúp đỡ tạo điều kiện cho tơi q trình học nghiên cứu khoa học Tác giả nhận thấy học nhiều kinh nghiệm quý báu trình học tập, nghiên cứu khoa học trường Đại học Vinh, tiếp thu nhiều kiến thức phục vụ cho cơng tác giảng dạy sau Mặc dù có nhiều cố gắng song luận văn khó tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận nhiều ý kiến đóng góp quý thầy cô quý đồng nghiệp Long An, tháng năm 2018 Tác giả Nguyễn Văn Thanh iii MỤC LỤC Lời cam đoan trang i Lời cám ơn trang ii Bảng chữ viết tắt trang vi Danh mục hình trang vii Mở đầu trang ix Chƣơng TỔNG QUAN VỀ KÍNH THIÊN VĂN trang 1.1 Các đại lượng đặc trưng kính thiên văn trang 1.1.1 Độ phóng đại góc (hay gọi độ bội giác) G trang 1.1.2 Quang lực A trang 1.1.3 Năng suất phân giải e trang 1.2 Phân loại kính kính thiên văn trang 1.2.1 Kính thiên văn khúc xạ trang 1.2.2 Kính thiên văn phản xạ trang 1.2.3 Kính thiên văn quang phổ trang 1.2.4 Kính thiên văn vơ tuyến trang 1.2.5 Kính thiên văn hồng ngoại trang 1.2.6 Kính thiên văn tử ngoại trang 1.2.7 Kính thiên văn khơng gian trang 1.3 Lịch sử hình thành phát triển kính thiên văn trang 13 1.3.1 Từ "Ống kính ma thuật" Lippershey trang 13 1.3.2 Đến kính thiên văn Gallile trang 16 1.3.3 Cải tiến Kepler trang 18 iv 1.3.4 Cuộc đua Kính thiên văn trang 18 1.3.5 Kính thiên văn phản xạ trang 20 1.4 Các kính thiên văn Việt Nam vai trị trang 23 1.4.1 Kính thiên văn đài Phù Liễn, Hải Phòng trang 23 1.4.2 Kính thiên văn đặt Khoa Vật lý, Trường ĐHSP HN trang 25 1.4.3 Kính thiên văn trạm quan trắc Nha Trang, Khánh Hòa trang 26 1.4.4 Kính thiên văn đặt trường đại học, trung học phổ thông trang 27 1.5 Hướng dẫn học sinh phổ thông lắp ráp kính thiên văn khúc xạ đơn giản để khám phá vũ trụ trang 28 Chƣơng KÍNH THIÊN VĂN JAMES WEBB trang 30 2.1 Chức nhiệm vụ trang 30 2.2 Các phận thơng số kỹ thuật kính trang 32 2.2.1 Gương trang 33 2.2.2 Mơ-đun tích hợp ISIM trang 36 2.2.3 Máy quang phổ phổ hồng ngoại gần (NIRSpec) trang 37 2.2.4 Máy ghi xử lý phổ hồng ngoại (MIRI) trang 40 2.2.5 Máy chụp xử lý phổ hồng ngoại gần (NIRISS) trang 42 2.2.6 Các thiết bị khác trang 43 2.3 Quá trình tình trạng phát triển dự án JWST trang 43 2.4 So sánh với hệ trước trang 47 2.5 Những thành tựu khoa học phát triển theo nghiên cứu chế tạo kính thiên văn JWST trang 48 2.5.1 Ngành công nghiệp quang học trang 48 2.5.2 Vũ trụ Thiên văn học trang 49 v 2.5.3 Ngành y tế: Sức khoẻ mắt trang 50 2.5.4 Công nghiệp Vật liệu: Đo Sức mạnh trang 50 2.6 Kết luận & hướng phát triễn đề tài trang 51 2.6.1 Kết luận trang 51 2.6.2 Hướng phát triển đề tài là: trang 51 Tài liệu tham khảo trang 52 vi Danh mục bảng chữ viết tắt NASA National Aeronautics and Space Agency Module ISIM Integrated Science Instrument Module MIRI Mid-Infrared Instrument NIRSpec Near-Infrared Spectrograph NIRISS Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph NIRCam Near-Infrared Camera COSTAR Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement HST Hubble Space Telescope JWST James Webb Space Telescope ESA European Space Agency OTE Optical Telescope Element vii Danh mục hình Hình 1.1 Hình vẽ sơ đồ quang học kính thiên văn trang Hình 1.2 Kính thiên văn phản xạ trang Hình 1.3 Kính thiên văn quang phổ trang Hình 1.4 Kính thiên văn hồng ngoại trang Hình 1.5 Kính thiên văn vơ tuyến trang Hình 1.6 Kính thiên văn tử ngoại trang Hình 1.7 Kính thiên văn không gian trang Hình 1.8 Hans Lipppershay trang 13 Hình 1.9 Ống kính Lippershey trang 14 Hình 1.10 kính thiên văn Gallile trang 16 Hình 1.11: Bản vẽ Sao Mộc vệ tinh Galileo trang 17 Hình 1.12- Kính thiên văn dài 60 150ft (18.5 46m) trang 19 Hình 1.13 Do tượng sắc sai nên ảnh sáng trang 21 Hình 1.14 kính Gregory trang 22 Hình 1.15 Kính thiên văn đài Phù Liễn, Hải Phòng trang 24 Hình 1.16 Đài Thiên văn Nha Trang trang 26 Hình 2.1 Hình mơ kinh JWST trang 28 Hình 2.2: Vị trí đặt JWST trang 30 Hình 2.3 :Các dụng cụ quang JWST trang 31 Hình 2.4 Trung tâm Bay Vũ trụ Goddard Greenbelt, Maryland, Mỹ trang33 Hình 2.5: Mặt sau gương với ba tổ hợp thiết bị truyền động trang 34 viii Hình 2.6 Tấm chắn kính thiên văn James Webb kích thước rộng 11m trang 34 Hình 2.7 Modun ISIM trang 35 Hình 2.8: Bộ cảm biến 2000x2000 pixel NIRCam trang 36 Hình 2.9: Thiết bị đo phổ hồng ngoại gần NIRSpec trang 37 Hình 2.10: Sơ đồ bố trí quang NIRSpec trang 37 Hình 2.11: Các lọc gắn tổ hợp trang 38 Hình 2.12: Các tế bào CCD camera trang 38 Hình 2.13: Sơ đồ bố trí vi cửa chớp (microshutter) trang 39 Hình 2.14: Sơ đồ khối hệ thống MIRI làm mát trang 40 Hình 2.15: Mơ-đun quang học MIRI trang 40 Hình 2.16: Sơ đồ khối NIRISS trang 42 Hình 2.17: Mặt sau với pin sử dụng lượng mặt trời, ăng ten ISIM trang 43 Hình 2.18: Hiệu suất quang trị dụng cụ JWST so với thiết bị trang 47 Hình 2.19: So sánh dải phổ lực thu thập ánh sáng JWST trang 48 Để tránh chồng chéo q trình tự nhiễu xạ khác máy dị, lọc quang phổ thiết kế để chọn dải bước sóng mong muốn Các lọc gắn tổ hợp con, điều khiển cấu riêng Hình 2.11: Các lọc gắn tổ hợp con, điều khiển cấu riêng - ảnh credit: Carl-Zeiss Optronics Hình 2.12: Các tế bào CCD camera – ảnh credit: NASA Một thiết bị đặc biệt, gọi MSA (MicroShutter Array), sử dụng chọn trường cho NIRSpec Mục tiêu cung cấp phương tiện để quan sát nhiều vật thể đồng thời để loại bỏ nhầm lẫn gây tất nguồn khác Mỗi góc tọa độ đại diện cho mảng đóng gói chặt chẽ 175 x 384 cửa chớp, cửa giải cách độc lập cho phép ánh sáng từ đối tượng quan tâm vào thiết bị MSA bao gồm góc khối 3,6 arcmin x 3,6 arcmin cho phép quan sát đồng thời khoảng 100 đối tượng Các microshutters thiết bị MEMS sản xuất màng mỏng silic nitride màng 100 μm x 200 μm 39 Hình 2.13: Sơ đồ bố trí vi cửa chớp (microshutter)- ảnh credit: NASA, ESA Mảng microshutter MSA bao gồm phần tư triệu microshutters kiểm sốt riêng Bằng cách lập trình mảng để mở cửa chớp trùng với đối tượng lựa chọn trước, ánh sáng từ đối tượng cô lập hướng tới quang phổ NIRSpec để tạo quang phổ Được coi cơng nghệ tiên tiến kính viễn vọng James Webb, vi sóng sản xuất từ cơng nghệ MEMS bao gồm hàng ngàn cửa chớp nhỏ xíu, chiều rộng khoảng sợi tóc người Được lắp ráp bốn lưới, 250.000 cửa chớp mở đóng riêng lẻ phép ánh sáng từ đối tượng mục tiêu vào NIRSpec James Webb, giúp xác định loại khí, ngồi đo khoảng cách chuyển động chúng Bởi Webb quan sát vật thể yếu, xa, thời gian phơi sáng phải kéo dài tuần để NIRSpec thu thập đủ ánh sáng có quang phổ tốt Cấu trúc quang phổ chế tạo từ silic cacbua (SiC) loại vật liệu gốm nguyên khối cung cấp tính chất đáp ứng yêu cầu cao độ ổn định chiều độ xác hình học cho việc lắp ráp quang học Sự biến dạng hình học NIRSpec ISIM, tạo chênh lệch nhiệt độ cao nhiệt độ hoạt động xung quanh môi trường mặt đất, cân phận Kinematic Mounts làm từ hợp kim titanium Sự cần thiết phải trao đổi phận mà không làm hiệu suất quang học thiết bị liên kết dẫn đến phát triển thủ tục trao đổi tinh vi 2.2.4 Máy ghi xử lý phổ hồng ngoại (MIRI) Các mục tiêu khoa học MIRI liên quan đến nguồn gốc tiến hóa tất thành phần vũ trụ, đặc biệt hình thành thiên hà, hình 40 thành hình thành hành tinh phạm vi khơng gian thời gian MIRI cung cấp hình ảnh, quang phổ độ phân giải thấp trung bình dải hồng ngoại (5-28 μm) Để đạt mức độ nhạy cảm phát tối ưu, MIRI đòi hỏi hiệu suất chuyển đổi photon cao dải thông quang phổ không gian phù hợp với mục tiêu quan sát MIRI có khối lượng ~ 103 kg Hình 2.14: Sơ đồ khối hệ thống MIRI làm mát- ảnh credit: MIRI consortium MIRI có tính chụp ảnh quang phổ kép Ánh sáng vào từ kính thiên văn qua mơ-đun IOC (Input Optics and Calibration) IOC cung cấp thêm lưu lượng hiệu chuẩn cho máy quay gắn lên cấu trúc hoạt động khoảng K Máy ảnh hai mô đun quang phổ dựa tất thiết kế phản chiếu Cấu hình quang học MIRI hỗ trợ bốn chế độ tối ưu: Hình 2.15: Mơ-đun quang học MIRI- ảnh credit: MIRI consortium 41 Cũng giống tất phương pháp quang phổ khác, quang phổ hồng ngoại sử dụng cơng tác xác định nghiên cứu hợp chất hóa học vũ trụ Phổ kế hồng ngoại loại tự ghi, hoạt động theo nguyên tắc sau: Chùm tia hồng ngoại phát từ nguồn tách hai phần, qua mẫu qua môi trường đo – tham chiếu (dung môi) tạo đơn sắc tách thành xạ có tần số khác chuyển đến detector Detector so sánh cường độ hai chùm tia chuyển thành tín hiệu điện có cường độ tỉ lệ với phần xạ bị hấp thu mẫu Dòng điện có cường độ nhỏ nên phải nhờ khuếch đại tăng lên nhiều lần trước chuyển sang phận tự ghi vẽ lên phổ đưa vào máy tính xử lý số liệu in phổ 2.2.5 Máy chụp xử lý phổ hồng ngoại gần (NIRISS) Máy chụp hồng ngoại gần vùng bước sóng từ 0.7 đến 5.0 μm với góc khối 2,2 arcmin x2.2 arcmin Hình 2.16: Sơ đồ khối NIRISS - ảnh credit: CSA, ComDev Ltd Thiết bị bao gồm động cơ, cảm biến Mỗi bánh xe điều khiển phin lọc có đường kính ~ 280 mm có khả xoay yếu tố quang học tới chín vị trí mong muốn Tất phận chuyển động sử dụng chất bôi trơn khô chuyên dụng tương thích với mơi trường nấm mốc Một động bước sử dụng để điều khiển bánh xe cách độc lập, thông qua giảm tốc Các phận quang học giữ vị trí miếng đệm nhựa kim loại với phận giữ xác Một lớp sơn phủ màu đen sử dụng để điều khiển ánh sáng phản xạ 42 Máy quang phổ hồng ngọai gần có độ phân giải cao, tỷ lệ tín hiệu/độ nhiễu xuất sắc, tốc độ quét nhanh 2.2.6 Các thiết bị khác Chắc chắn kể hết tên thiết bị có kính thiên văn khơng gian James Webb Dưới góc độ nhìn nhận vai trị hoạt động kính thiên văn thiết bị ghi, xử lý thơng tin hình ảnh, nên luận văn này, tác giả kể tên thiết bị tối thiểu thông số kỹ thuật nêu mục 2.2.1 – 2.2.5 Nhưng thiếu ta không kể thêm thiết bị hệ thống lượng pin mặt trời, hệ thống dẫn lái, điều khiển, vv…, tất chúng làm nên cỗ máy đại hữu ích Hình 2.17: Mặt sau với pin sử dụng lượng mặt trời, ăng ten ISIM- ảnh credit: NGAS 2.3 Quá trình tình trạng phát triển dự án JWST Ngày tháng năm 2017: JWST vượt qua thành công thử nghiệm độ cong, phép đo quang học quan trọng gương lắp ráp hồn chỉnh trước thử nghiệm nồng độ khí, kiểm tra cuối tổ chức Trung tâm Không gian Goddard NASA Greenbelt, Maryland trước Tàu vũ trụ vận chuyển đến Trung tâm Vũ trụ Johnson NASA Houston để thử nghiệm thêm [13] Sau trải qua thử nghiệm môi trường nghiêm ngặt mô căng thẳng việc phóng tên lửa nó, nhóm kính thiên văn Webb Goddard phân tích kết từ thử nghiệm quang học quan trọng so sánh với phép đo kiểm trước Nhóm nghiên cứu kết luận gương vượt qua thử nghiệm với hệ thống quang học không bị tổn thương 43 "Kính thiên văn Webb bước vào bước để đạt ngơi hồn thành việc tích hợp thử nghiệm thành cơng Goddard.Đã có nhóm cá nhân tài to lớn đến điểm từ khắp nơi NASA, ngành Và đối tác quốc tế, viện nghiên cứu, "ông Bill Ochs, giám đốc dự án kính thiên văn Webb NASA "Đây thời gian buồn nói lời tạm biệt với Kính thiên văn Webb Goddard, vui bắt đầu thử nghiệm nồng độ kín Johnson." Kính thiên văn Jame Webb chuyển tới Johnson để thử nghiệm quang học đầu cuối với chân không nhiệt độ hoạt động lạnh Sau đó, tiếp tục hành trình tới Hệ thống Khơng gian vũ trụ Northrop Grumman Redondo Beach, California để lắp ráp thử nghiệm cuối trước khởi động vào năm 2018 • Ngày 28 Tháng năm 2017: Nhóm JWST hồn thành phần âm rung động việc kiểm tra mơi trường kính thiên văn NASA / GSFC Những thử nghiệm đơn hai số nhiều tàu vũ trụ dụng cụ phải chịu đựng để đảm bảo chúng phù hợp cho chuyến bay 120) Đối với kiểm tra âm thanh, kính thiên văn gói lều sẽ, kỹ sư kỹ thuật viên đẩy qua cặp cửa thép dày, dày gần 30 cm, vào Phòng Thử nghiệm Acoustic Trong buồng, kính viễn vọng bị phơi bày trước tiếng ồn tiếng rung động phóng Một hệ thống kiểm tra rung động gọi bảng lắc, chế tạo đặc biệt để thử nghiệm Webb Webb gắn bàn rung trải nghiệm lực mơ mà kính thiên văn cảm nhận suốt thời gian phóng cách rung từ đến 100 lần / giây Thử nghiệm đảm bảo tàu vũ trụ Webb chịu rung động xảy kết việc vào không gian tên lửa Sau hồn thành kiểm tra mơi trường khác, kính thiên văn Webb chuyển đến Trung tâm Vũ trụ Johnson NASA Houston, Texas để thử nghiệm quang học cuối chân không nhiệt độ hoạt động lạnh, trước bay đến Northrop Grumman Aerospace Systems Redondo Beach, California, để lắp ráp thử nghiệm cuối trước khởi động Bằng cách thực kiểm tra này, nhà khoa học kỹ sư đảm bảo tàu vũ trụ tất thiết bị chịu đựng mắt trì chức đưa từ Guiana Pháp vào năm 2018 44 Ngày 25 tháng năm 2017: Các kỹ sư tiếp tục loạt kiểm tra độ rung nghiêm trọng nghiêm ngặt JWST NASA / GSFC Vào ngày tháng 12 năm 2016, thử nghiệm rung động tự động đóng cửa sớm số thông số cảm biến vượt mức dự đoán Sau điều tra kỹ lưỡng, nhóm JWST NASA Goddard xác định nguyên nhân chuyển động cực nhỏ nhiều dây buộc "cơ chế giới hạn phóng" để giữ cho hai cánh gương phản xạ gấp lại để phóng [14] Ngày tháng năm 2017: Các kiểm tra rung động nhiều phép thử mà tàu vũ trụ dụng cụ phải chịu đựng để đảm bảo chúng phù hợp với chuyến bay Trong q trình thử nghiệm thường niên Kính viễn vọng Không gian James Webb NASA, phản ứng bất ngờ xảy từ vài số 100 thiết bị thiết kế để phát thay đổi nhỏ chuyển động cấu trúc Điều khiến kỹ sư đưa thử nghiệm rung động bị giữ để xác định nguyên nhân [15] Kể từ đó, nhóm kỹ sư nhà khoa học phân tích nhiều kịch tiềm cho phản ứng đo Chúng gần gũi với lý do, thực thành công ba rung động mức độ thấp kính thiên văn Tất kiểm tra thị giác siêu âm cấu trúc tiếp tục cho thấy âm Eric Smith, giám đốc chương trình Kính viễn vọng Khơng gian James Webb NASA, trụ sở NASA Washington cho biết: "Hiện tại, nhóm nghiên cứu tiếp tục phân tích họ với mục tiêu xem xét kết luận, kết luận kế hoạch thử nghiệm rung động hồi tháng Một Trong kiểm tra rung động vào ngày tháng 12 năm 2016 NASA / GSFC, gia tốc gắn vào kính thiên văn phát phản ứng bất ngờ việc kiểm tra tự đóng lại để bảo vệ phần cứng.[16] Thử nghiệm tự đóng lại phần giây sau phản ứng cao dự kiến phát tần số rung động đặc biệt, khoảng lưu ý thấp so với ghi thấp đàn piano Tại NASA, thiết bị kiểm tra rung âm cung cấp kiểm tra độ rung sốc phần cứng spaceflight để đảm bảo chức không bị khiếm khuyết môi trường khởi động hạ cánh nghiêm trọng Ra mắt tạo độ rung động cao tàu vũ trụ thiết bị kiểm tra mặt đất thực để mô rung động 45 gây Kiểm tra độ rung thực phận nhỏ vài ounce lớn cấu trúc hệ thống hoàn chỉnh Bằng cách thực kiểm tra độ rung Kính viễn vọng Khơng gian James Webb NASA, nhà khoa học kỹ sư đảm bảo tàu vũ trụ tất thiết bị chịu đựng việc khởi động trì chức đưa từ Guiana thuộc Pháp vào năm 2018 Ngày tháng 11 năm 2016: Các kỹ sư kỹ thuật viên làm việc Kính viễn vọng Khơng gian James Webb hồn thành thành cơng phép đo quang học quan trọng gương lắp ráp hoàn chỉnh Webb, gọi kiểm tra Center of Curvature Lấy phép đo quang học "trước" gương triển khai kính thiên văn quan trọng trước kính viễn vọng vào số giai đoạn kiểm tra học nghiêm ngặt Những thử nghiệm mô môi trường âm rung động dội mà kính thiên văn trải nghiệm bên tên lửa đường ngồi vũ trụ Mơi trường vấn đề căng thẳng cấu trúc làm thay đổi hình dạng chỉnh gương Webb, làm suy giảm hoặc, trường hợp xấu nhất, làm hỏng hiệu suất Ngày 31 tháng 10 năm 2016: Lần cuối năm lớp chống nắng bảo vệ quang học dụng cụ Kính viễn vọng Khơng gian James Webb NASA hồn tất Hiện thiết bị, gương cấu trúc kính thiên văn lắp ráp, kết hợp qua kiểm tra rung động âm để đảm bảo toàn tải trọng khoa học chịu điều kiện phóng.[15] Ngày 27 tháng năm 2016: Các kỹ sư NASA gần tiết lộ gương vàng khổng lồ JWST NASA (Kính viễn vọng Không gian James Webb) phần việc tích hợp kiểm tra kính viễn vọng hồng ngoại 18 gương tạo nên gương bảo vệ riêng biệt với vỏ màu đen chúng lắp ráp cấu trúc kính thiên văn Bây giờ, lần kể từ gương hồn thành, vỏ bọc dỡ bỏ [17] Ngày tháng năm 2016: Ngày tháng năm 2016, gương soi bay Kính viễn vọng Không gian James Webb NASA lắp đặt 46 vào kính thiên văn Trung tâm Khơng gian Goddard NASA Greenbelt, Maryland vào ngày tháng năm 2016)[16] Ngày 25 tháng 11 năm 2015: NASA lắp đặt thành công 18 gương bay lên Kính viễn vọng Khơng gian James Webb, bắt đầu phần quan trọng việc xây dựng đài quan sát Trong phòng NASA / GSFC tuần này, nhóm kỹ thuật sử dụng cánh tay robot để nâng hạ thấp đoạn hình lục giác có kích thước 1,3 m với khối lượng ~ 40 kg Sau ghép với nhau, 18 phân khúc gương làm việc gương lớn 6,5 m Việc cài đặt đầy đủ dự kiến hoàn thành vào đầu năm tới.)[19] Gương chiếu hậu lục giác Webb đặt cánh tay robot lên bảng nối, giữ gương dụng cụ lục giác ổn định kính thiên văn nhìn vào khơng gian sâu Cùng với nhau, 18 gương tạo nên gương Webb có đường kính 6,5 m "gương chính" Cùng với gương chiếu hậu thứ cấp, thứ ba, gương bao gồm kính thiên văn giúp nhà khoa học quan sát hình thành ngơi thiên hà cách 13,5 tỷ năm.[20] 2.4 So sánh với hệ trƣớc Kính viễn vọng khơng gian Hubble có 27 năm phục vụ cho ngành khoa học vũ trụ với nhiều ảnh thiên văn ấn tượng, đồng thời Hubble trở thành biểu tượng chung nhân loại ngày Dự kiến trước NASA, kính Hubble ngừng hoạt động từ năm 2014 nhiên chưa kịp phóng kính thiên văn thay thế, NASA định sửa chữa, nâng cấp để tăng thời gian hoạt động lên tới năm 2020 NASA ban đầu dự định chọn thời điểm tháng 10/2018 để thức phóng kính viễn vọng không gian James Webb lên quỹ đạo Tuy nhiên, lịch trình tiếp tục đẩy lùi tới đầu năm 2019 [21] James Webb có kích thước lớn gấp lần so với Hubble, mạnh chi phí vận hành tốn Hubble James Webb sở hữu camera có trường nhìn gấp 15 lần Hubble, qua cải thiện đáng kể độ phân giải hình ảnh Khác với Hubble vốn tạo để quan sát ánh sáng khả kiến cực tím, James Webb quan sát ánh sáng hồng ngoại, giúp mở rộng khơng gian tìm kiếm so với Hubble 47 Hình 2.18: Hiệu suất quang trị dụng cụ JWST so với thiết bị đài quan sát (tín dụng hình ảnh: STScI) Hình 2.19: So sánh dải phổ lực thu thập ánh sáng JWST so với với kính thiên văn Hubble Spitzer (hình ảnh tín dụng: STScI) 2.5 Những thành tựu khoa học đƣợc phát triển theo nghiên cứu chế tạo kính thiên văn JWST Trong khung thời gian 2010/12, công nghệ phát triển cho JWST ứng dụng áp dụng cho ứng dụng thương mại ngành công nghiệp khác bao gồm quang học, không gian vũ trụ, thiên văn học, y tế vật liệu Một số công nghệ khám phá để sử dụng cấp phép thơng qua Văn phịng Kỹ thuật viên NASA Trung tâm Không gian Goddard NASA 2.5.1 Ngành công nghiệp quang học 48 Ngành công nghiệp quang học thụ hưởng kỹ thuật khâu phương pháp cải thiện để đo aspheres lớn Một asphere thấu kính có cấu hình bề mặt khơng phải phần hình cầu hình trụ Trong nhiếp ảnh, ống kính lắp ráp bao gồm phần tử cầu thường gọi ống kính asferical Sự khâu phương pháp kết hợp số phép đo bề mặt vào phép đo cách kết hợp liệu cách kỹ lưỡng thể "khâu" với QED phát triển cơng nghệ đo lường SSI-A® (Subaperture Stitching Interferometer for Aspheres), tạo cho công ty giải thưởng "R & D 100", đồng thời phát triển công cụ đột phá gọi interferometer khâu asfer Thiết bị áp dụng cho kính thiên văn tiên tiến, kính hiển vi, máy ảnh, phạm vi y tế, ống nhòm photolithography 2.5.2 Vũ trụ Thiên văn học Trong ngành cơng nghiệp vũ trụ, chương trình JWST đưa công nghệ 4D hợp đồng thương mại để phát triển hệ thống giao thoa kế PhaseCam, đo chất lượng gương gương JWST mơi trường chân khơng kín Đây cách để sử dụng interferometers ngành hàng không vũ trụ Sự đầu tư Webb vào công nghệ cho phép ASIC lập trình được, điều quan trọng việc sửa chữa Camera tiên tiến Hubble để Khảo sát tạo quan điểm tuyệt vời vũ trụ chúng ta.[22] • Thiết bị dị thiên văn: Những lợi ích thiết bị phát gần hồng ngoại phát triển cho dụng cụ Webb lan rộng khắp giới khoa học Tiến sĩ James Beletic, Giám đốc cao cấp Teledyne cho biết: "Cảm biến hồng ngoại dựa công nghệ phát triển cho Webb lựa chọn phổ quát cho quan sát thiên văn, từ không gian lẫn mặt đất Công nghệ sử dụng cho sứ mệnh khoa học trái đất an ninh quốc gia Một phiên tìm kiếm sơ khai mảng Megapixel HAWAII-2RG Webb sử dụng số sứ mệnh NASA bao gồm Hubble, Deep Impact / EPOXI, WISE, OCO-2 (Đài thiên văn Quan sát Carbon 2) HAWAII-2RG có mặt Sử dụng hàng chục đài quan sát mặt đất khắp giới Sự có sẵn máy phát hiệu suất cao phát 49 triển cho Webb quan trọng sưu tập nhiệm vụ ngoạn mục, tương lai (Ref 152) 2.5.3 Ngành y tế Các thiết bị đo quang học "đầu sóng" tạo để làm gương kính thiên văn JWST Những người dẫn đến spinoffs ngành công nghiệp y tế, nơi phép đo xác quan trọng sức khoẻ mắt, ví dụ • Cơng nghệ đến để đo xác phân đoạn gương JWST trình sản xuất Các nhà khoa học thuộc AMO WaveFront Sciences, LLC Albuquerque, N.M phát triển thiết bị đo lường "wavefront" gọi Scanning Shack Hartmann Sensor [23] • Cơng nghệ đo quang học phát triển cho JWST, gọi "cảm nhận đầu sóng" áp dụng cho phép đo mắt người cho phép cải tiến đáng kể Dan Neal, Giám đốc Nghiên cứu Phát triển AMO (Abbott Medical Optics Inc.) Albuquerque, NM cho biết: "Chương trình kính thiên văn Webb cho phép số cải thiện đo mắt người, chẩn đoán bệnh mắt phẫu thuật có khả cải thiện Sự cải tiến Webb cho phép bác sĩ mắt để có nhiều thơng tin chi tiết hình dạng "địa hình" mắt vài giây hàng 2.5.4 Công nghiệp Vật liệu Các công nghệ JWST mở cánh cửa để đo lường tốt việc kiểm tra độ bền vật liệu composite Đo dòng vật liệu composite giống đo mức độ chúng thay đổi số môi trường định Đo bước cao cho phép người ta hiểu thay đổi nhỏ bề mặt bề mặt làm tất điều với tốc độ cao cho phép thiết bị hoạt động có rung động làm mờ kết Các cơng nghệ kính thiên văn Webb có lợi cho kinh tế Các cơng nghệ cho phép công ty tư nhân 4D tạo doanh thu đáng kể tạo cơng việc có tay nghề cao Phần lớn phát triển 4D từ người đàn ông bắt đầu cho 35 người bắt nguồn từ dự án ban đầu phát triển cho kính thiên văn 4D thích ứng với công nghệ cho loạt ứng dụng ngành thiên văn, hàng không vũ trụ, chất bán dẫn y tế 50 2.6 KẾT LUẬN & HƢỚNG PHÁT TRIỄN CỦA ĐỀ TÀI 2.6.1 Kết luận Trong luận văn này, chúng tơi tập trung tìm hiểu, nghiên cứu, khảo sát vấn đề sau: - Đã tìm hiểu khái quát chế làm việc loại kính thiên văn có giới - Đã tìm hiểu sơ lược lịch sử đời trình phát triển kính thiên văn giới, mơ tả thiết bị quang học kính thiên văn - Đã đề xuất cách thức lắp đặt kính thiên văn quang học dùng cho học sinh phổ thông - Đã tìm hiểu đặc tính cấu trúc quang học kính thiên văn James Webb (JWST) thành tựu khoa học thu tạo kính thiên văn JWST 2.6.2 Hƣớng phát triển đề tài là: Trong thời gian tới tiếp tục tìm hiểu sâu chi tiết đặc tính cấu trúc kính thiên văn JWST, tìm hiểu ích lợi mà kính thiên văn JWST mang lại ngành vật lý học phổ biến kiến thức loại kính thiên văn dành cho học sinh phổ thơng u thích thiên văn tham khảo 51 Tài liệu tham khảo A Tiếng Việt: [1] Phạm Viết Trinh, Nguyễn Đình Nỗn, Giáo trình thiên văn học, 2006 [2] Nguyễn Quang Riệu, Lang thang dải Ngân Hà, NXB VHTT, 1997 [3] Trần Quốc Hà, Giáo trình Thiên văn học đại cương, NXB ĐHSP TP HCM, 2003 [4] Viếng thăm cung thiên văn Lưu Văn Hy, nhà xuất Văn hố thơng tin; 2002 B Tiếng Anh: [5] James Webb Space Telescope", NASA homepage, RL:ttp://www.jwst.nasa.gov/ June, 2017 [6] PA Sabelhaus, J Decker, "James Webb Space Telescope (JWST) Project Overview," Proceedings of IEEE / AIAA Space Conference 2006, Big Sky, MT, USA, November 4-11 , 2006 [7] Project History of JWST by STScI (Space Telescope Science Institute) URL: http://www.stsci.edu/jwst/overview/history/index_html July, 2017 [8] http://www.jwst.nasa.gov/science.html Jonathan P Gardner, John C Mather, Mark Clampin, Rene Doyon, Matthew A Greenhouse, Heidi B Hammel, John B Hutchings, Peter Jakobsen, Simon J Lilly, Knox S Long, Jonathan I Lunine, Mark J Mccaughrean, Matt Mountain, John Nella, George H Rieke, Marcia J Rieke, Hans-Walter Rix, Eric P Smith, George Sonneborn, Massimo Stiavelli, H S Stockman, Rogier A Windhorst, Gillian S Wright, "The James Webb Space Telescope," Space Science Reviews, Vol 123, No 4, April 2006, pp 485-606, URL: http://link.springer.com/content/pdf/10.1007%2Fs11214-006-8315-7.pdf [9] http://webbtelescope.org/webb_telescope/July, 2017 [10] http://www.esa.int/esaSC/120370_index_0_m.html, July, 2017 [11] http://sci.esa.int/science-/www/area/index.cfm?fareaid=29 June, 2017 [12] http://www.asc-csa.gc.ca/eng/satellites/jwst/default.asp June, 2017 [13] http://www.stsci.edu/jwst/August, 2017 [14] http://www.stsci.edu/jwst/operations August, 2017 52 [15] "James Webb Space Telescope JWST Sensitivity," STScI, URL: http://www.stsci.edu/jwst/science/sensitivity August, 2017 [16] Jason&Kalirai, "Frontier Science Opportunities with JWST," STScI, June 6-8, 2011, URL:http://www.stsci.edu/jwst/doc-archive/white-papers/fronter-scienceopportunites-with-jwst.pdf [17] "ESA confirms James Webb Telescope Ariane Launch," December 17, 2015, URL: http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/ESA_confirms_James_Webb_telesc ope_Ariane_launch [18]:http://www.stsci.edu/jwst/overview/design/deployment.html August, 2017 [19] "James Webb Space Telescope Deployment," STScI, URL:http://www.stsci.edu/jwst/overview/design/deployment [20] Maggie Masetti, "The Observatory," NASA, URL: http://www.jwst.nasa.gov/observatory.html August, 2017 [21] John Nella, Charles Atkinson, Allen Bronowicki, Ed Bujanda, Andy Cohen, Don Davies, Martin Mohan, John Pohner, Paul Reynolds, Scott Texter, Debra F Simmons, Dean Waldie, Rob Woods, Menzel, Bob Smith, Pam Sullivan, Paul Atcheson, Paul Lightsey, "James Webb Space Telescope (JWST) Observatory Architecture and Performance," Space 2004, San Diego, CA, Sept 28-30, 2004, AIAA-2004-5986 [22] J Nella, P Atcheson, C Atkinson, D Au, M Blair, A Bronowicki, D Fitzgerald, J Heidenga, P Lightsey, T Kelly, G Matthews, J Pohner, P Reynolds, D Shuckstes, S Texter, D Waldie, R Whitley, "Next Generation Space Telescope (NGST) Observatory Architecture and Performance," Proceedings of SPIE Symposium Astronomical Telescopes and Instrumentation, `Conference IR Space Telescopes and Instruments,' Waikoloa, Hawaii, Aug 22-28, 2002, Vol 4850, URL: http://www.stsci.edu/jwst/trw-spie.pdf August, 2017 [23] L Meza, F Tung, S Anandakrishnan, V Spector, T Hyde, "Line of Sight Stabilization for the James Webb Space Telescope," Proceedings of the 28th Annual AAS Rocky Mountain Guidance and Control Conference, Breckenridge, CO, USA, Feb 5-9, 2005, AAS 05-002 53 ... động ứng dụng tiềm kính thiên văn JWST, lựa chọn đề tài: “ Nghiên cứu cấu trúc quang học kính thiên văn không gian James Webb? ?? làm chủ đề nghiên cứu luận văn Mục tiêu nghiên cứu Tìm hiểu ý nghĩa... đường kính D vật kính tính mm [2] 1.2 PHÂN LOẠI KÍNH THIÊN VĂN Tùy theo dải sóng cần thu mà kính thuộc loại: Kính thiên văn quang học Kính thiên văn vơ tuyến Kính thiên văn hồng ngoại Kính thiên văn. .. ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN VĂN THANH NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC QUANG HỌC TRONG KÍNH THIÊN VĂN KHƠNG GIAN JAMES WEBB LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 44 01 10 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: