Kính viễn vọng không gian James Webb: Dự án tốn kém và nhiều tranh cãi

JWST dự kiến ​​sẽ cất cánh từ bệ phóng ở Kourou, Guiana thuộc Pháp, sớm nhất vào ngày 22/12 tới. Nếu mọi thứ diễn ra đúng kế hoạch, JWST sẽ thay đổi ngành thiên văn học, giúp quan sát các thiên hà xa nhất từng thấy, bầu khí quyển của các hành tinh xa xôi và trái tim của các vùng hình thành sao ẩn sâu trong bụi. Thiết bị tiền nhiệm của JWST, Kính viễn vọng Không gian Hubble, đã thay đổi hiểu biết của con người về vũ trụ trong 31 năm qua, và JWST có khả năng quan sát còn mạnh hơn Hubble gấp 100 lần.

JWST có khả năng quan sát mang tính bước ngoặt đến mức sẽ chia ngành thiên văn học thành hai thời kỳ "trước Webb" và "sau Webb", theo Jane Rigby, nhà vật lý thiên văn tại Trung tâm Chuyến bay không gian Goddard của NASA ở Greenbelt, Maryland, người phục vụ cho các hoạt động của Webb.

Lisa Dang, nhà vật lý thiên văn tại Đại học McGill ở Montreal, Canada là một trong số ít các nhà thiên văn học được quyền sử dụng một trong những lần quan sát đầu tiên từ JWST. Dang thậm chí còn chưa được sinh ra khi các nhà thiên văn học bắt đầu lên kế hoạch thiết kế JWST, và cô sẽ dùng JWST phục vụ một lĩnh vực nghiên cứu thậm chí còn chưa tồn tại khi JWST đang được thiết kế, đủ để thấy quy mô vượt qua nhiều thế hệ của dự án thiên văn khổng lồ này.

Những ý tưởng đầu tiên về Webb xuất hiện tại một hội thảo ở Viện Khoa học quản lý Kính viễn vọng Không gian, Baltimore, Maryland, vào năm 1989. Đó là năm trước khi ra mắt Kính viễn vọng Không gian Hubble và các nhà khoa học đã suy nghĩ về bước tiếp theo sau Hubble. Cuối cùng, họ đưa ra kế hoạch xây dựng một kính viễn vọng không gian với gương chính rộng 6,5 mét, gần gấp ba lần Hubble và được tạo thành từ 18 phân đoạn hình lục giác. Chiếc gương lớn đến mức nó phải được gấp lại như origami khi phóng và mở ra khi đã vào không gian. Che nắng cho kính viễn vọng sẽ là một tấm chắn hình cánh diều có kích thước bằng sân tennis, được làm từ năm lớp tráng nhôm có tác dụng chặn nhiệt của Mặt trời và giữ cho kính thiên văn đủ mát để hoạt động.

Chi phí tổng thể của Webb ban đầu được ước tính vào khoảng 1 tỉ USD, và kể từ đó đã tăng vọt. NASA đã đầu tư 9,7 tỉ USD, bao gồm cả quỹ để trang trải chi phí hoạt động trong không gian; ESA đóng góp 700 triệu euro (810 triệu USD) và CSA đóng góp 160 triệu USD.

Chi phí tăng vọt của JWST thu hút sự giám sát gắt gao từ các kiểm toán viên chính phủ, và dấy lên các câu hỏi về việc dự án có đáng đầu tư nhiều như vậy không.

“Để tạo ra bước ngoặt trong một lĩnh vực, phải xây dựng công cụ," theo Heidi Hammel, nhà thiên văn học và phó chủ tịch phụ trách khoa học tại Hiệp hội các trường đại học nghiên cứu thiên văn ở Washington DC, và đây là cái giá của công cụ có khả năng biến đổi lĩnh vực thiên văn học.

Bị trì hoãn và thay đổi thiết kế nhiều lần, các bộ phận của JWSTđược thành hình trong các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới; và cuối cùng, được lắp ráp hoàn chỉnh tại Northrop Grumman Aerospace Systems ở Redondo Beach, California. Nhưng khi đó, một lần nữa Webb gặp sự cố lớn do các kỹ thuật viên sử dụng sai dung môi làm sạch và làm hỏng một số thiết bị. Rồi sau đó nữa, các ốc vít cố định bị long ra trong quá trình thử nghiệm.

Chỉ riêng trong năm nay, đã có nhiều tranh cãi về việc liệu dự án có nên được đặt theo tên của James Webb, người đứng đầu NASA vào những năm 1960 - thời điểm một nhân viên NASA bị sa thải vì nghi ngờ là người đồng tính hay không. Webb cũng từng giữ một vị trí cấp cao trong Bộ Ngoại giao Hoa Kỳ vào cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950, khi bộ này đào thải một cách có hệ thống những người đồng tính nam và đồng tính nữ.

Cuối cùng, hơn 30 năm sau ý tưởng đầu tiên, Webb cũng đã có mặt ở sân bay vũ trụ ở Kourou để chuẩn bị phóng. JWST sẽ được đưa đến một điểm trong không gian cách Trái đất 1,5 triệu km - quá xa để các phi hành gia có thể tới thăm và sửa kính thiên văn nếu có sự cố. Các phi hành gia từng phải vào không gian để sửa Hubble vào năm 1993, do gương chính gắn không chính xác.

Nếu phóng thành công, Webb sẽ quan sát các bước sóng cận và trung hồng ngoại trong vũ trụ - các bước sóng dài hơn so với những gì Hubble có thể nhìn thấy. Có nghĩa là Webb có thể nghiên cứu ánh sáng truyền đi từ các thiên hà xa xôi và đã bị kéo dài đến các bước sóng hồng ngoại do sự giãn nở của vũ trụ. Webb còn có thể nghiên cứu bụi bao phủ các vùng hình thành sao cũng như màn khí giữa các ngôi sao, cả hai đều không nhìn thấy được ở các bước sóng ngắn. Ngoài ra, giống như Hubble, JWST có thể chụp quang phổ của các vật thể thiên văn, có nghĩa chia ánh sáng của vật thể thành các thành phần để xác định thành phần.

Bầu khí quyển của Trái đất gây trở ngại cho hầu hết các nghiên cứu thiên văn hồng ngoại trên mặt đất. Các kính thiên văn đặt trong không gian, chẳng hạn như Đài quan sát không gian Herschel của ESA, hoạt động từ năm 2009 đến 2013, đã khám phá vũ trụ bằng ánh sáng hồng ngoại trước đây. Nhưng các nhà khoa học cho biết, tấm gương khổng lồ và bộ công cụ siêu nhạy của Webb vượt xa bất kỳ kính viễn vọng không gian hồng ngoại nào trước đây. Jeyhan Kartaltepe, nhà thiên văn học tại Viện Công nghệ Rochester, New York, cho biết: “JWST sẽ thay đổi rất nhiều những gì chúng ta biết trong nhiều lĩnh vực thiên văn học."

Bởi vì JWST có thể phát hiện các vật thể phát ra hồng ngoại mờ nhạt, có nghĩa là ở khoảng cách rất xa, có khả năng nó sẽ quan sát được một số ngôi sao và thiên hà đầu tiên hình thành sau vụ nổ Big Bang tạo ra vũ trụ cách đây 13,8 tỷ năm. Webb gần như chắc chắn sẽ phá vỡ kỷ lục về thiên hà xa nhất từng được quan sát (hiện là thiên hà GN-z11, nằm cách Trái đất 1,2 tỷ năm ánh sáng).

Một nghiên cứu lớn, được gọi là COSMOS-Webb, sẽ xem xét một vùng trời gồm nửa triệu thiên hà trong 200 giờ, tạo ra một bộ dữ liệu phong phú cho các nhà thiên văn học khai thác. Chế độ quan sát hồng ngoại của Webb sẽ thăm dò khoảng thời gian từ khoảng 400.000 năm đến 1 tỷ năm sau Big Bang, khi các ngôi sao và thiên hà đầu tiên thắp sáng vũ trụ. Kỷ nguyên này, được gọi là kỷ nguyên tái ion hóa vũ trụ, tạo tiền đề cho các thiên hà ngày nay phát triển. Kartaltepe, người đồng lãnh đạo COSMOS-Webb, cho biết: “Có rất nhiều điều chúng tôi không biết về khoảng thời gian đó."

Bằng cách quan sát những vật thể thiên văn ở khoảng cách cực xa này, các nhà khoa học có thể trả lời các câu hỏi như những ngôi sao đầu tiên tập hợp thành thiên hà và những thiên hà đó đã phát triển theo thời gian như thế nào. Có được bức tranh rõ hơn về sự hình thành thiên hà trong vũ trụ sơ khai sẽ giúp các nhà thiên văn học hiểu được vũ trụ hiện đại hình thành như thế nào. Mariska Kriek, nhà thiên văn học tại Đài quan sát Leiden ở Hà Lan, có kế hoạch sử dụng Webb để nghiên cứu các thiên hà xa xôi không còn hình thành sao. Các quan sát sẽ tiết lộ thành phần hóa học của các ngôi sao trong các thiên hà đó và vận tốc chuyển động của chúng. Những dữ liệu đó sẽ giúp Kriek làm sáng tỏ bí ẩn về cách thức và lý do những thiên hà này ngừng hình thành sao vào một thời điểm nào đó trong quá khứ, khác hẳn với những thiên hà không ngừng hình thành sao. Webb sẽ mở ra cơ hội quan sát những tín hiệu rất mờ nhạt, có từ rất sớm trong vũ trụ, Kriek nói.

Khi không quan sát các ngôi sao và thiên hà, Webb sẽ dành nhiều thời gian để xem xét kỹ lưỡng các hành tinh, đặc biệt là một vài trong số hàng nghìn hành tinh đã được phát hiện ngoài Hệ Mặt trời. Webb nhạy đến mức nó có thể quan sát khi một hành tinh trượt ngang qua mặt của một ngôi sao và ánh sáng của ngôi sao đó nhanh chóng chiếu qua bầu khí quyển của hành tinh. Phân tích quang phổ từ đó có thể tiết lộ thành phần của bầu khí quyển hành tinh một cách chi tiết hơn bao giờ hết - và các nhà thiên văn học đặc biệt quan tâm đến việc tìm kiếm các phân tử như mêtan và nước, những thứ báo hiệu sự sống. Trong năm đầu tiên, Webb sẽ nghiên cứu một số ngoại hành tinh nổi tiếng nhất, bao gồm bảy hành tinh có kích thước bằng Trái đất quay quanh ngôi sao TRAPPIST-1.

Khi (và nếu) Webb cất cánh, vốn luôn là một thủ tục rủi ro, thì kính thiên văn vẫn còn phải đối mặt với một chuỗi sự kiện kéo dài sáu tháng được lên kịch bản cẩn thận, bắt đầu bằng việc mở kính che nắng, sau đó mở các gương chính và phụ. Sau đó là hai tháng đồng bộ hóa và căn chỉnh các gương và quang học của kính thiên văn, và một tháng hiệu chỉnh các thiết bị. Đến tháng 6/2022, nếu mọi việc suôn sẻ, Webb cuối cùng sẽ bắt đầu làm việc.

Dự kiến, những hình ảnh đầu tiên từ JWST sẽ là một loạt hình ảnh đáng kinh ngạc được chọn để thể hiện khả năng của kính thiên văn. Sau đó sẽ đến một loạt các quan sát và dữ liệu tổng hợpmà NASA sẽ công bố ngay lập tức cho cộng đồng thiên văn.

Sau rất nhiều lần trì hoãn và quá nhiều tranh luận, JWST sẽ mang theo hy vọng của hàng nghìn nhà thiên văn học trên khắp thế giới. “Không có nhiều lần trong đời bạn được quan sát một điều lớn lao như vậy,” Hammel nói.