- Những khám phá vĩ đại của kính thiên văn Hubble. - Mark Voit (Physics World, tháng 9/2010) Sau 20 năm phục vụ, sứ mệnh lịch sử của Kính thiên văn vũ trụ Hubble sắp đến hồi kết thúc. - Trong bài, Mark Voit giải thích làm thế nào chiếc kính thiên văn này giành được danh vọng nổi bật trong lịch sử ngành thiên văn học, và đánh giá một số khám phá mang tính cách mạng của nó.. - Được xem là “Con mắt của Chúa”, Tinh vân Helix thật ra là tàn dư chất khí phát sáng của một ngôi sao đang qua đời. - Bạn thích hình ảnh nào từ kho ảnh của Kính thiên văn vũ trụ Hubble? Ảnh Trường Sâu Hubble? Tinh vân Chim ưng? Thiên hà Xoắn ốc Whirlpool? Hay chân dung của một trong các hành tinh? Chắc chắn bạn đã từng xem hàng tá hình ảnh Hubble, vì chúng ở mọi nơi – báo in, tạp chí, chương trình truyền hình, hình nền website, thậm chí trên thiếp mừng. - Hãy hỏi một ai đó trên đường bạn gặp về tên của một chiếc kính thiên văn. - Câu trả lời hầu như chắc chắn sẽ là Kính thiên văn vũ trụ Hubble, mặc dù trong vài thập niên trở lại đây, một vài thiết bị khác cũng đã giúp tạo ra một thời kì vàng son của ngành thiên văn học.. - Các ảnh chụp Hubble làm say đắm lòng người do vị trí của chiếc kính thiên văn này nằm phía trên bầu khí quyển của Trái đất. - Được đưa vào quỹ đạo cách đây 20 năm trước bởi Tàu con thoi vũ trụ Discovery, Hubble quay một vòng xung quanh Trái đất mất 96 phút ở độ cao khoảng 560 km – không cao lắm phía trên đầu chúng ta. - So với khoảng cách đến những mục tiêu vũ trụ của nó, con số này có nghĩa là chiếc kính thiên văn trên hầu như bám sát với mặt đất. - Tuy nhiên, giá trị này vẫn đủ cao để vượt qua những trở ngại lớn nhất đối với các quan sát thiên văn chính xác: bầu khí quyển hay xáo trộn của Trái đất, nó chặn mất phần lớn các dạng bức xạ điện từ mà các nhà thiên văn muốn quan sát. - Ngay cả ánh sáng khả kiến cũng không đi qua nguyên vẹn. - Tầm nhìn vũ trụ do mà một kính thiên văn mặt đất cỡ lớn mang lại có phần lu mờ vì các nhiễu loạn khí quyển làm khúc xạ và lệch hướng chút ít đối với đường đi của chùm tia sáng. - Ngoài hiệu ứng mà chúng ta gọi là sự nhấp nháy, mắt con người không thể phát hiện ra sự lu mờ này, nhưng nó làm tổn hại nghiêm trọng đối với các nghiên cứu thiên văn đòi hỏi góc nhìn vô cùng sắc nét. - Trong những năm sắp phóng lên vào năm 1990, Kính thiên văn vũ trụ Hubble được quảng cáo rùm beng là tiến bộ lớn nhất trong ngành thiên văn học kể từ khi Galileo lần đầu tiên hướng một chiếc kính thiên văn lên bầu trời. - Để khai thác lợi thế của góc nhìn tươi mới từ không gian bên ngoài, NASA đã trang bị một trong những chiếc gương mặt đất chính xác nhất từng được chế tạo để làm bộ phận quang chính của Hubble dùng thu thập và hội tụ ánh sáng. - Không giống như những chiếc kính thiên văn khác trong không gian, Hubble được chế tạo để phục vụ bởi các nhà du hành đến thăm nom. - Và vào năm 1993, các nhà du hành trên Tàu con thoi vũ trụ Endeavour đã mang lên và lắp đặt các thiết bị quang hiệu chỉnh để bổ sung chính xác cho sự biến dạng của gương chính, nhờ đó phục hồi tầm nhìn ưu việt mà ngày nay đã tạo ra một bộ sưu tập ảnh hết sức ấn tượng và rất nhiều khám phá khoa học.. - Mỗi chuyến thăm dịch vụ sau đó để lại một phiên bản mới hơn, cải tiến hơn của chiếc kính thiên văn trên. - Qua chuỗi tiếp tế khoa học này, Hubble đã giành được danh vọng cao trong lịch sử thiên văn học, nhưng vào lúc bắt đầu sứ mệnh, sự thành công của nó là không chắc chắn cho lắm.. - Kính thiên văn vũ trụ Hubble bay xung quanh Trái đất mỗi vòng mất 97 phút ở tốc độ xấp xỉ 7,5 km/s so với Trái đất (Ảnh: NASA). - Cho dù với một cái gương chính bị rạn nứt, nhưng Hubble vẫn là chiếc kính thiên văn hoàn hảo nhất từng được chế tạo cho quan sát ánh sáng tử ngoại bước sóng ngắn, chúng không thể thâm nhập vào bầu khí quyển của Trái đất. - Dự án chủ chốt đó là nghiên cứu chất khí giữa các thiên hà. - Đa phần chất khí trong vũ trụ nằm bên ngoài các thiên hà, nơi cực kì khó nghiên cứu. - Chất khí giữa các thiên hà hầu như không phát ra ánh sáng, và đa phần cái chúng ta biết về nó phát sinh từ các nghiên cứu quang phổ của những quasar xa xôi. - Khi ánh sáng phát ra từ một quasar thực hiện hành trình về. - hướng Trái đất, nó đi qua vô số đám mây khí giữa các thiên hà. - Mỗi đám mây hấp thụ mất một chút ánh sáng ở một vài bước sóng đặc biệt tùy thuộc vào thành phần và trạng thái ion hóa của đám mây. - Cho nên khi quang phổ quasar có mặt tại Trái đất, nó mang thông tin tương tự như thông tin chứa trong mẫu nhân địa chất, cho chúng ta biết về các điều kiện trong không gian liên thiên hà trên hành trình dọc theo hướng nhìn nhắm lùi tới quasar đó.. - Trước khi có sứ mệnh Hubble, các nghiên cứu chất khí liên thiên hà bị hạn chế với những đám mây rất xa có độ lệch đỏ vũ trụ đủ lớn để dịch chuyển các đặc trưng tử ngoại đang quan tâm sang dải khả kiến, nhờ đó làm cho chúng có thể quan sát với các kính thiên văn mặt đất. - Các quan sát tử ngoại của Hubble về các quasar trong toàn sứ mệnh của nó, do đó, đã giúp lấp đầy một khe trống lớn trong sự hiểu biết của chúng ta về không gian liên thiên hà, cho chúng ta biết các điều kiện giữa các thiên hà đã biến đổi như thế nào trong vài tỉ năm vũ trụ vừa qua.. - Một khi sứ mệnh dịch vụ tháng 12 năm 1993 hoàn tất việc thay camera chính của Hubble và hiệu chỉnh các thiết bị khác với những dụng cụ quang thích hợp, chiếc kính thiên văn trên cuối cùng đã sẵn sàng làm nên lịch sử. - Chất khí giữa các sao đang tập trung lại thành những ngôi sao mới sinh trong những cột tối này, bề mặt của chúng đang phát sáng do bị chiếu xạ bức xạ tử ngoại. - Một bức ảnh ấn tượng khác công bố vào năm sau đó thể hiện Tinh vân Eagle ngày nay hết sức nổi tiếng, những cột chất khí phát sáng đang phồng ra của nó thu hút sự chú ý của công chúng bởi những chi tiết phức tạp mà kính thiên văn Hubble có thể chụp lấy nét đẹp của vũ trụ. - Trong vùng đang hình thành sao này thuộc thiên hà của chúng ta, lực hấp dẫn bên trong những phần đậm đặc nhất, tối đen nhất của những cột mây đang hút các chất khí lại với nhau để tạo ra những ngôi sao mới, và ánh sáng tử ngoại phát ra từ những ngôi sao trẻ ở gần đó đang tỏa trên các cột và làm cho chúng phát sáng. - Đây chỉ là một trong nhiều bức ảnh Hubble nổi tiếng minh họa chu kì sống của các ngôi sao. - Nhiều kết quả tìm kiếm của Hubble về các ngôi sao đã được những mô hình trước đó dự báo trước.. - Ảnh chụp năm 1996 này là tầm nhìn sâu xa nhất của chúng ta vào lúc ấy, cho thấy những thiên hà ở xa từ 1 tỉ đến 12 tỉ năm ánh sáng, và do đó bao quát phần lớn lịch sử của vũ trụ. - Lúc ấy, nó là bức ảnh sâu xa nhất của vũ trụ từng được ghi lại. - Vị trí trên bầu trời được chọn là hoàn toàn bình thường, cho nên nó sẽ là đại diện của vũ trụ quy mô lớn. - Chiếc kính thiên văn đã hướng vào vùng trời này trong 10 ngày liền, thu thật nhiều ánh sáng có thể có và cố gắng phát hiện ra những thiên hà mờ nhạt nhất và xa xôi nhất mà nó có thể phân biệt được. - Việc đo độ lệch đỏ của những thiên hà này cho thấy ánh sáng phát ra từ những thiên hà xa xôi nhất trong ảnh mất hơn 10 tỉ năm để đi tới chúng ta. - Vì thế, phần lớn lịch sử của vũ trụ được thể hiện trong bức ảnh này, và điều quan trọng là xác định xem tốc độ hình thành sao và thiên hà nói chung trong vũ trụ đã thay đổi như thế nào theo thời gian.. - Những thiên hà trẻ nhất, xa xôi nhất trong bức ảnh Trường Sâu Hubble trông nhỏ hơn và kém ổn định so với các thiên hà ngày nay. - Điều này cho biết các va chạm thiên hà là phổ biến trong buổi đầu lịch sử của vũ trụ và ủng hộ quan điểm cho rằng các thiên hà lớn lên theo kiểu có tôn ti trật tự, khi những vật thể nhỏ hơn hợp nhất thành những vật thể lớn hơn. - Thời kì hợp nhất sôi nổi này và sự hình thành thiên hà dần dần yếu đi khi vũ trụ tiếp tục giãn nở, và sự chậm lại của quá trình hình thành thiên hà trùng khớp với sự chậm lại trong quá trình hình thành sao. - Tốc độ hình thành sao trong vũ trụ dường đã đạt cực đại khoảng hai đến bốn tỉ năm sau Big Bang và hiện nay đang tuột xuống chưa tới một phần mười giá trị cực đại của nó.. - Nhưng một số thành tựu khoa học bền vững hơn của chiếc kính thiên văn này đã được thực hiện với thiết bị ban đầu và đơn giản là vì cần mất vài năm quan sát và phân tích mới đơm hoa kết trái.. - Một nghiên cứu như vậy là một chương trình lớn muốn đo tốc độ giãn nở của vũ trụ với độ chính xác chưa có tiền lệ. - Nhà khoa học có tên đặt cho chiếc kính, Edwin Hubble, đã khám phá ra sự giãn nở của vũ trụ vào năm 1929 bởi việc chứng minh một mối liên hệ tỉ lệ giữa khoảng cách của các thiên hà bên ngoài nhóm địa phương của chúng ta và tốc độ mà các thiên hà đó đang di chuyển ra xa chúng ta. - Việc biết được giá trị của nó là quan trọng vì nó cho chúng ta biết tuổi của vũ trụ (xấp xỉ 1/H 0. - Nó còn có thể sử dụng để suy luận ra khoảng cách của các thiên hà (nếu không khó mà đo được) từ tốc độ lùi ra xa của chúng, khoảng cách đó dễ dàng xác định từ độ lệch đỏ của quang phổ của từng thiên hà.. - Hơn hai tá thiên hà, trong đó có thiên hà mang tên M101 này, đã được lùng sục để tìm các sao biến quang Cepheid là một phần của một dự án Hubble trọng yếu nhằm đo tốc độ giãn nở của vũ trụ. - Tuy nhiên, để đo H 0 một cách chính xác, bằng cách nào đó người ta phải đo khoảng cách đến một mẫu thiên hà mà không cần sử dụng mối liên hệ tiện lợi này. - Dự án chính nhằm đo H 0 sử dụng kĩ thuật sao biến quang Cepheid giống như kĩ thuật Edwin Hubble đã sử dụng để thực hiện các phép đo khoảng cách ban đầu của ông với các thiên hà ở xa tới 100 triệu năm. - ánh sáng. - Sao biến quang Cepheid là những ngôi sao dao động về kích cỡ và độ sáng ở tốc độ tùy thuộc vào khối lượng của chúng. - Chúng thật lí tưởng để đo khoảng cách thiên hà vì chúng thuộc về những ngôi sao sáng nhất và chu kì biến quang của một sao Cepheid tỉ lệ với công suất sáng toàn phần của nó. - Việc đo độ sáng biểu kiến lẫn chu kì biến thiên của một Cepheid, do đó, mang lại đủ thông tin để xác định khoảng cách đến thiên hà trong đó nó cư trú. - Người ta dễ dàng suy luận ra công suất sáng toàn phần của sao Cepheid từ chu kì co giãn của nó và tính ra khoảng cách tại đó một ngôi sao với công suất ánh sáng đó có mức sáng biểu kiến đã quan sát. - Hubble đặc biệt thích hợp làm công việc đó vì tầm nhìn cực kì sắc nét của nó cho phép các nhà thiên văn nhận dạng và đo từng sao biến quang Cepheid trong các thiên hà mờ nhạt một cách vô vọng trong những ảnh chụp trên mặt đất. - Năm 2001, đội dự án quan trọng ấy đã công bố một số đo của H 0 là tốt trong phạm vi 10%, ràng buộc tuổi của vũ trụ là khoảng 14 tỉ năm.. - Trong khi đó, các nhà thiên văn khai thác lợi thế của khả năng đo xa của Hubble để khảo sát những khoảng cách lớn hơn nữa đã thực hiện một trong những khám phá khoa học nổi bật nhất của thế kỉ thứ 20. - Tính chất này cho phép các nhà thiên văn xác định khoảng cách của một sao siêu mới bằng cách quan sát độ sáng biểu kiến cực đại của sao siêu mới lùn trắng. - Sử dụng những phép đo khoảng cách như vậy, vào năm 1998, hai đội nghiên cứu độc lập nhau đã chứng tỏ được rằng tốc độ giãn nở của vũ trụ đang tăng lên trong vài tỉ năm gần đây, một kết quả làm chấn động cộng đồng thiên văn học, vì họ trông đợi lực hút hấp dẫn làm chậm tốc độ giãn nở lại. - Một số dạng thức không rõ của năng lượng, đặt tên là “năng lượng tối”, được xem là thủ phạm cho sự giãn nở tăng tốc đó, và các nỗ lực đo năng lượng tối và phương trình trạng thái của nó hiện nay là một bài toán lớn trong ngành thiên văn học và vũ trụ học hiện đại.. - Các phép đo khoảng cách đến các sao siêu mới ở xa hàng tỉ năm ánh sáng cho thấy sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc – một hiệu ứng được quy cho một số dạng năng lượng tối tạo ra lực đẩy ở quy mô lớn. - của Hubble hỗ trợ cho những phép đo này bởi việc phân biệt rõ ánh sáng sao siêu mới (mũi tên màu trắng) với ánh sáng của thiên hà nền phía sau. - Đa số sao siêu mới sử dụng trong những nghiên cứu này đã được phát hiện ra với các kính thiên văn mặt đất. - Tuy nhiên, trong một ảnh chụp từ mặt đất, người ta khó phân biệt ánh sáng phát ra của một sao siêu mới ở xa với ánh sáng phát ra của thiên hà chứa nó. - Với Hubble, việc trừ ánh sáng của thiên hà ra để xác định độ sáng cực đại của riêng sao siêu mới dễ dàng hơn nhiều, nhờ đó cho phép các phép đo khoảng cách chính xác hơn. - Một thiết bị khác lắp đặt hồi năm 1997, quang phổ kế STIS, là đáng chú ý nhất với việc giúp nhận dạng và đo khối lượng của các lỗ đen siêu khối nằm tại tâm của những thiên hà lân cận. - Bản thân các lỗ đen là không thể nhìn thấy, cho nên để chứng tỏ những vật thể kì lạ này thật sự tồn tại, các nhà thiên văn phải đo các hiệu ứng hấp dẫn của chúng lên các ngôi sao và đám mây khí trong quỹ đạo xung quanh chúng. - Tốc độ quỹ đạo được xác định tốc nhất bằng phương pháp quang phổ, sử dụng hiệu ứng Doppler, và vì thế từ phía trên bầu khí quyển của Trái đất, quang phổ kế của Hubble có thể xác lập dạng thức quỹ đạo tại tâm của các thiên hà một cách chi tiết hơn so với các kính thiên văn mặt đất. - Việc đo khối lượng lỗ đen theo phương pháp này chứng tỏ rằng hầu như tất cả các thiên hà đều có những lỗ đen nằm tại tâm của chúng, và khối lượng của một lỗ đen trung tâm tỉ lệ với tổng khối lượng của những ngôi sao cấu thành nên khối u trung tâm của thiên hà.. - Bức ảnh Hubble này của một đám thiên hà minh họa cho khả năng bẻ cong ánh sáng của vật chất tối. - Đa số thiên hà màu vàng thuộc về đám trên, nhưng các thiên hà xanh hình thù kì dị hướng tiếp tuyến với trung tâm của đám là những thiên hà nền phía sau có ảnh bị bóp méo khi ánh sáng của chúng đi qua vùng lõi đồ sộ của đám, nơi bị thống trị bởi vật chất tối. - Đợt nâng cấp chính tiếp theo đó của Hubble hồi năm 2002 đã bổ sung thêm một camera nhạy, Camera Tiên tiến Dành cho Khảo sát (ACS), thiết bị đã mở rộng đáng kể khả năng cho chiếc kính thiên văn thu thập các bức ảnh trường sâu của vũ trụ. - Một trong những nhiệm vụ ban đầu của nó là quan sát Trường Cực Sâu Hubble, một cái nhìn vào vũ trụ còn sâu hơn cả Trường Sâu Hubble hồi năm 1996. - Camera Tiên tiến cũng là công cụ chính của chương trình Khảo sát Sự Tiến triển Vũ trụ (COSMOS), cuộc khảo sát bầu trời quy mô nhất mà Hubble từng thực hiện, chương trình đã chụp ảnh của hơn hai triệu thiên hà trong một mảng trời rộng hai độ vuông.. - Trong số những thành tựu quan trọng nhất của cuộc khảo sát này là việc lập bản đồ vật chất tối đi cùng với những thiên hà đó. - Đa phần vật chất trong vũ trụ chẳng phát ra ánh sáng và được cho là cấu tạo gồm những hạt khác với các hạt tìm thấy trong những nguyên tử thông thường. - Pương pháp tốt nhất để lập bản đồ vật chất tối này là dựa trên sự hội tụ do hấp dẫn – sự bẻ cong các chùm ánh sáng khi chúng đi qua gần những đám vật chất lớn. - Ảnh chụp Hubble của những đám thiên hà khổng lồ, nơi có thể chứa tới 10 15 lần khối lượng Mặt trời, minh họa tuyệt vời cho cách thức sự có mặt của một khối vật chất lớn làm méo mó cái nhìn của chúng ta về những thiên hà nằm phía sau nó. - Ảnh Hubble chụp ngôi sao láng giềng Fomalhaut vào năm 2004 và 2006 cho thấy một chấm nhỏ xíu trong quỹ đạo xung quanh nó, đại diện cho ảnh chụp ánh sáng khả kiến đầu tiên của một hành tinh thuộc về một ngôi sao khác. - Đa phần ánh sáng nhìn thấy trong bức ảnh này là ánh sáng tán xạ từ phía ngôi sao trên, chúng bị làm cho. - Gần gũi với chúng ta hơn, Camera Tiên tiến của Hubble còn có ích trong việc quan sát các hành tinh chuyển động xung quanh những ngôi sao khác. - Theo dõi ngôi sao sáng Fomalhaut, chỉ ở xa chúng ta 25 năm ánh sáng, đã mang lại ảnh chộp nhanh đầu tiên trong vùng sáng khả kiến của một hành tinh đang quay xung quanh một ngôi sao khác. - ‘nản lòng chiến sĩ’ vì một ngôi sao thường tỏa sáng mạnh hơn các hành tinh của nó nhiều bậc độ lớn. - Vì thế, một số camera của Hubble được trang bị các nhật hoa kế có thể chặn lại ánh sáng phát ra từ ngôi sao sáng ở giữa, giống như người ta có thể dùng tay để chặn bớt ánh chói của Mặt trời, để cho phép chúng ta nhìn thấy các hành tinh hoặc các đĩa bụi khí có thể đang quay xung quanh nó. - Nhiều bộ phận trên phi thuyền đã và đang già quá tuổi thiết kế của chúng, và các con quay hồi chuyển thiết yếu cho việc ổn định sự định hướng của chiếc kính thiên văn trong vũ trụ đã bị hỏng hóc. - Một sứ mệnh dịch vụ cuối cùng đã được lên kế hoạch nhằm đảm bảo sự hoạt động tiếp tục của chiếc kính thiên văn trong năm 2010, nhưng nó đã bị ông trùm NASA Sean O'Keefe hủy bỏ hồi năm 2004, sau sự tổn thất của vụ tai nạn tàu con thoi Columbia. - Ba trong số các thiết bị chính của nó – ACS, STIS và NICMOS – ngủ im lìm và chiếc kính thiên văn hết sức cần đến các con quay hồ chuyển mới, pin nguồn và một máy vi tính cho các hoạt động khoa học. - Tuy nhiên, các nhà du hành trên tàu con thoi vũ trụ Discovery đã có thể thay thế mọi bộ phận cần thiết, làm sống lại ACS và STIS, và lắp đặt hai thiết bị mới. - Còn thiết bị mới kia, Camera Trường Rộng 3, là camera nhạy nhất của chiếc kính thiên văn lịch sử này và nó đã nhận ra các thiên hà ở xa hơn bất kì thiên hà nào được tìm thấy trước đó trong những ảnh chụp sâu nhất của Hubble. - Nếu mọi thứ diễn ra suôn sẻ, thì Kính thiên văn vũ trụ Hubble sẽ tiếp tục thực hiện những khám phá nổi bật cho đến khi chiếc kính kế nhiệm của nó đi vào hoạt động. - Điều đó xảy ra vào năm 2014, khi Kính thiên văn vũ trụ James Webb cuối cùng được bay vào quỹ đạo.. - Với một gương chính để thu thập dữ liệu to hơn gấp bảy lần so với Hubble, nó sẽ có thể phát hiện ra các thiên hà ở xa hơn cả những thiên hà mà Hubble tìm thấy và thậm chí có thể còn tìm thấy những thiên hà sơ khai nhất trong quá trình hình thành vũ trụ. - Kì vọng thì cao, nhưng chiếc kính thiên văn mới không phải có những trở ngại của nó trong quá trình triển khai và phát triển.. - Tác giả Mark Voit là giáo sư thiên văn vật lí tại trường Đại học Bang Michigan, Hoa Kì.