Vào đầu thế kỷ 20, khoa học thiên văn bước vào giai đoạn phát triển vượt bậc. Những người giảng dạy thiên văn mong muốn có một công cụ để mô tả trực quan và sinh động chuyển động phức tạp của các thiên thể trên bầu trời. Trước đó, bài giảng của họ chủ yếu dựa vào những mô hình vật lý nhỏ hoặc ảnh minh họa. Tuy nhiên, các phương pháp này không thể tái hiện chính xác sự chuyển động của các hành tinh, ngôi sao và nhiều hiện tượng thiên văn khác, ví dụ như sao chổi, nhật thực, nguyệt thực, mưa sao băng...
Năm 1912, Oskar von Miller, một kỹ sư điện và là người sáng lập Bảo tàng Deutsches (Đức), đã nghĩ ra một ý tưởng thú vị: Liệu chúng ta có thể chiếu hình ảnh bầu trời đầy sao lên một mái vòm để minh họa các nguyên lý thiên văn học cho công chúng hay không?
Ý tưởng này độc đáo đến mức khi Miller đề nghị Công ty Carl Zeiss chế tạo một loại máy chiếu như vậy cho Bảo tàng Deutsches, ban đầu họ đã từ chối vì thấy nó quá mới lạ. Tuy nhiên, sau khi cân nhắc, họ quyết định chấp nhận thách thức. Dưới sự dẫn dắt của kỹ sư trưởng Walther Bauersfeld, công ty Carl Zeiss cuối cùng đã tạo ra một sản phẩm tuyệt vời.
Việc sử dụng các mô hình nhằm mô tả chuyển động của các hành tinh và ngôi sao đã diễn ra từ nhiều thế kỷ trước. Khởi đầu là mô hình hành tinh cơ học, dùng hệ thống bánh răng và lò xo giống như cơ cấu trong đồng hồ để tái hiện chuyển động của hệ Mặt trời. Một phiên bản hiện đại hơn vận hành bằng điện thay vì cơ học thuần túy do Clair Omar Musser thiết kế được trưng bày tại Hội chợ Thế giới Seattle năm 1962.
Hệ thống máy chiếu tại Bảo tàng Deutsches có cấu tạo phức tạp hơn nhiều. Nó mô phỏng hai loại mô hình vũ trụ. Một mô hình thể hiện bầu trời theo thuyết nhật tâm, với các ngôi sao và hành tinh quay xung quanh Mặt trời. Mô hình còn lại thể hiện thuyết địa tâm, giúp người xem đắm chìm trong khung cảnh đứng trên bề mặt Trái đất ở trung tâm vũ trụ.
Ban đầu, kỹ sư Bauersfeld chỉ tập trung vào việc chiếu hình ảnh của Mặt trời, Mặt trăng và các hành tinh trong hệ Mặt trời. Sau đó, ông bổ sung thêm các ngôi sao theo gợi ý của nhà vật lý Rudolf Straubel. Chiến tranh Thế giới Thứ nhất đã làm gián đoạn công việc xây dựng cung thiên văn, nhưng đến năm 1920, Bauersfeld đã tiếp tục triển khai dự án.
Máy chiếu ở cung thiên văn thực chất là sự kết hợp của nhiều máy chiếu nhỏ và một hệ thống bánh răng phức tạp. Cấu tạo của nó bao gồm một quả cầu lớn chứa tất cả các máy chiếu dùng để hiển thị những ngôi sao cố định và tên gọi của những chòm sao chính, giúp người xem dễ dàng nhận ra chúng. Ánh sáng phát ra từ quả cầu có thể chiếu sáng toàn bộ mái vòm từ vị trí trung tâm.
Thiết bị còn có một cấu trúc khác gọi là “lồng hành tinh”, nơi chứa các máy chiếu dùng để hiển thị sao Thủy, sao Kim, sao Hỏa, sao Mộc, sao Thổ, Mặt trời và Mặt trăng. Các máy chiếu bên trong lồng hành tinh được sắp xếp thành nhiều tầng với hệ thống truyền động phức tạp, cho phép chúng di chuyển quanh một trục quay nhằm mô phỏng quỹ đạo hằng năm của các hành tinh trên bầu trời đầy sao.
Toàn bộ hệ thống máy chiếu có thể xoay quanh một trục thứ hai, tương tự trục của Trái đất, giúp tái hiện cảnh tượng Mặt trời, Mặt trăng và các hành tinh mọc và lặn ở đường chân trời.
Bauersfeld cũng tham gia thiết kế mái vòm của cung thiên văn. Nó có dạng một nửa hình cầu, với phần khung nâng đỡ là mạng lưới các thanh thép đan xen nhau giống như lưới trắc địa. Phía bên ngoài mái vòm được phủ một lớp bê tông mỏng.
Buổi trình diễn đầu tiên của thiết bị – gọi là “máy chiếu Zeiss Model I” – diễn ra tại tòa nhà chưa hoàn thiện của Bảo tàng Deutsches ở Munich (Đức) vào ngày 21/10/1923. Trong sự kiện này, Bauersfeld mô tả cung thiên văn là “một kỳ quan trong lĩnh vực khoa học”.
Sau đó, Bauersfeld đưa máy chiếu về trụ sở của Công ty Carl Zeiss ở Jena (Đức) để điều chỉnh và thử nghiệm thêm. Ông cũng bắt đầu tổ chức các buổi trình diễn máy chiếu trong một mái vòm được dựng tạm thời trên sân thượng của công ty. Từ tháng 7 đến tháng 9/1924, hơn 30.000 người đã đến tham quan “bầu trời sao nhân tạo”. Những buổi trình diễn này không chỉ giúp du khách trải nghiệm công nghệ mới, mà còn giúp Công ty Carl Zeiss và bảo tàng thu thập ý kiến để cải tiến máy chiếu.
Ngày 7/5/1925, cung thiên văn đầu tiên trên thế giới chính thức mở cửa tại Bảo tàng Deutsches. Máy chiếu Zeiss Model I có khả năng hiển thị tổng cộng 4.500 ngôi sao, dải Ngân hà, Mặt trời, Mặt trăng và các hành tinh. Du khách có thể ngắm nhìn bầu trời đêm được mô phỏng từ vĩ độ của thành phố Munich trong một tòa nhà thoáng mát. Một người thuyết trình điều khiển máy chiếu, giới thiệu về những chủ đề thiên văn, chỉ ra các chòm sao và quỹ đạo của các hành tinh.
Ảnh hưởng của cung thiên văn tại Bảo tàng Deutsches nhanh chóng lan rộng ra ngoài nước Đức, khi nhiều bảo tàng và trường học trên khắp thế giới bắt đầu áp dụng công nghệ này để tạo ra những trải nghiệm sinh động, phục vụ giáo dục khoa học và giới thiệu kiến thức tới công chúng. Mỗi khi có một cung thiên văn mới ra mắt, mọi người đều cảm thấy tò mò và hào hứng. Những bưu thiếp và hình ảnh về các cung thiên văn (cả những tòa nhà mái vòm đặc trưng và máy chiếu phức tạp bên trong) được lưu hành rộng rãi.
Năm 1926, Công ty Carl Zeiss khánh thành cung thiên văn của riêng mình tại Jena, dựa trên thiết kế của Bauersfeld. Thành phố đầu tiên bên ngoài nước Đức có cung thiên văn là Vienna (Áo). Đáng tiếc là cung thiên văn này đã bị phá hủy trong cuộc Chiến tranh Thế giới lần Thứ hai.
Sau chiến tranh, Công ty Carl Zeiss tiếp tục phát triển cung thiên văn với dòng máy chiếu Zeiss Model VI trước khi chuyển sang sử dụng những tên gọi mới cho máy chiếu như Spacemaster, Skymaster và Cosmorama.
Theo thời gian, các cung thiên văn liên tục được cải tiến với độ chính xác cao hơn, bổ sung thêm nhiều ngôi sao, có hệ thống điều khiển tự động giúp những người vận hành lập kế hoạch và thiết lập toàn bộ nội dung của một buổi trình chiếu từ trước. Công nghệ đèn LED đã thay thế các nguồn sáng truyền thống, mang lại hình ảnh rõ nét và sống động hơn.
Cho đến nay, Công ty Carl Zeiss vẫn tham gia thiết kế và xây dựng các cung thiên văn với nhiều kiểu dáng, phù hợp với những mái vòm có kích thước khác nhau.
Hiện tại, có hơn 4.000 cung thiên văn đang hoạt động trên toàn cầu với nhiều cải tiến về công nghệ, từ việc sử dụng máy chiếu cơ học cho đến máy chiếu kỹ thuật số và công nghệ thực tế ảo. Cung thiên văn thường là nơi đầu tiên trẻ em kết nối những gì chúng nhìn thấy trên bầu trời đêm với khoa học và sự hiểu biết về vũ trụ.
Nguồn: IEEE Spectrum