Bốn kính thiên văn khổng lồ mới hứa hẹn làm rung chuyển ngành thiên văn học

Khi Kính viễn vọng Hooker lần đầu tiên nhìn lên bầu trời vào năm 1917. Không ai biết điều kỳ diệu mà nó có thể tiết lộ. Trong vòng một thập kỷ, nhà thiên văn học Edwin Hubble đã sử dụng nó. Khi đó, đó là kính thiên văn lớn nhất thế giới với kích thước 100 inch. Với mục đích khám phá các thiên hà tồn tại bên ngoài Dải Ngân hà và vũ trụ. Tới đây, các nhà khoa học cho rằng sẽ thiết kế kính thiên văn khổng lồ hứa hẹn làm rung chuyển ngành thiên văn học.

Năm 1949, Kính thiên văn Hale 200 inch chụp được bức ảnh đầu tiên về bầu trời vào ban đêm. Đầu những năm 1960, nhà thiên văn học Maarten Schmidt sử dụng công cụ này để phân tích “các nguồn vô tuyến gần sao” bất thường. Gọi tắt là chuẩn tinh. Đó là những hố đen siêu lớn tích tụ vật chất ở trung tâm các thiên hà. Một điều tưởng tượng khoa học viễn tưởng khi Kính viễn vọng Hale được chế tạo.

Cuộc cách mạng kính thiên văn

Đến những năm 1990, công nghệ phát triển mở ra kỷ nguyên kính thiên văn có chiều ngang 8-10 mét. Với sự hỗ trợ từ Kính viễn vọng Không gian Hubble 2,4 mét quay quanh bầu khí quyển làm biến dạng hình ảnh của Trái đất, các thiết bị này có thể phân tích vài chục siêu tân tinh Loại Ia ở xa. Những vụ nổ kinh hoàng của các ngôi sao lùn trắng. Thật kinh ngạc, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc. Điều này chỉ có thể thực hiện được với hỏa lực gia tăng của các kính thiên văn mới nhất.

Giờ đây, các nhà thiên văn học đang đứng trước ngưỡng cửa cuộc cách mạng kính thiên văn mới. Trong vài năm tới, các nhà nghiên cứu hy vọng ba công cụ có kích thước gấp đôi so với các đối thủ cạnh tranh gần nhất của họ sẽ bắt đầu quét bầu trời. Với kính viễn vọng thứ tư, đường kính “chỉ” 8 mét. Sử dụng công nghệ tiên tiến để chụp ảnh toàn bộ bầu trời vào ban đêm ba ngày một lần.

4 thiết bị mới này hứa hẹn sẽ cung cấp cho ngành khoa học về các vấn đề nút nóng. Tuy nhiên, cũng như những bước tiến vượt bậc về kích thước trước đó. Các sản phẩm mới này cũng sẽ tạo ra những khám phá mà chưa ai có thể hình dung được. Pat McCarthy, phó chủ tịch của Tổ chức Kính viễn vọng Magellan Khổng lồ (GMT) đã nói: “Chúng tôi mong đợi được học những điều chúng tôi chưa biết”.

Vấn đề kích cỡ

Các nhà thiên văn học luôn tìm cách kéo dài ranh giới để xem các vật thể mờ một cách chi tiết hơn. Một kính thiên văn lớn hơn thu thập nhiều ánh sáng hơn. Cho phép nhìn sâu hơn vào vũ trụ. Nhân đôi đường kính của gương chính thu thập ánh sáng cho kính thiên văn. Điều đó đồng thời đã tăng gấp bốn lần diện tích bề mặt. Một quan sát từng mất bốn giờ có thể được thực hiện trong một lần. Chính chiếc gương này sẽ cho phép bạn nhìn xa gấp đôi.

Nhưng bạn có thể tự hỏi quy luật của Quy luật hiệu suất giảm dần bắt nguồn từ đâu. Cho đến nay bạn mới có thể nhìn thấy. Kính viễn vọng Không gian Hubble gần đây đã đạt đến những giới hạn đó khi nó kết thúc chương trình Frontier Fields. Cho phép các nhà nghiên cứu quan sát các thiên hà khi chúng tồn tại chỉ vài trăm triệu năm sau Vụ nổ lớn. Đối với các vật thể gần hơn, Hubble cung cấp hình ảnh vượt trội so với kích thước tương đối nhỏ của nó. 

Các nhà thiên văn học chuyên nghiệp không chỉ quan sát mỗi hình ảnh. Họ cần phân tích ánh sáng của những thứ họ quan sát, được gọi là quang phổ. Với mục đích tìm ra thông tin về nhiệt độ, vận tốc, chuyển động quay và thành phần của một vật thể. Lý do là, quang phổ là cách duy nhất để phân biệt ánh sao từ một đám mây khí phát sáng. Hay một ngôi sao mờ trong vùng lân cận của Dải Ngân hà với một thiên hà mờ ở một góc xa của vũ trụ. Để có đủ ánh sáng thực hiện phân tích quang phổ tối thiểu cũng cần thời gian dài hơn khoảng 100 lần so với việc thu được một hình ảnh. 

Độ phân giải cũng tăng theo đường kính của kính thiên văn. Tạo một tấm gương rộng gấp đôi và mang lại nhiều chi tiết hơn. Nhờ vào một sự kỳ lạ của vật lý, bạn có thể thu được lợi ích tương tự bằng cách đặt các kính thiên văn nhỏ hơn xa nhau, sau đó kết hợp ánh sáng của chúng. Thông qua giao thoa kế. (Các nhà thiên văn học vô tuyến sử dụng kỹ thuật này đã tạo ra hình ảnh đầu tiên về hố đen vào đầu năm nay: Một mạng lưới kính viễn vọng vô tuyến toàn cầu đã nhìn thấy trong khoảng 54 triệu năm ánh sáng để chụp được hố đen siêu lớn ở trung tâm của thiên hà khổng lồ M87.)

Thách thức

Các kính thiên văn trên mặt đất phải đối mặt với một thách thức nữa: bầu khí quyển phá hủy từng chi tiết của Trái đất. Khi ánh sáng từ một thiên thể đi qua không khí ở các nhiệt độ khác nhau, nó sẽ bị chen lấn và mất đi độ trong. Đó là lý do tại sao các nhà thiết kế đặt kính thiên văn lớn trên các đỉnh núi cao. Ngay cả sự chênh lệch nhiệt độ giữa không khí bên ngoài và bên trong mái vòm của kính thiên văn cũng có thể tạo ra các luồng không khí ảnh hưởng xấu đến độ sắc nét của hình ảnh.

Đó là nơi mà quang học thích ứng ra đời. Trong vài thập kỷ qua, các nhà thiên văn học đã trau dồi kỹ thuật này. Nó hỗ trợ cho bất kỳ tai nạn nào trong khí quyển và mang lại hình ảnh gần như sắc nét mà gương có thể tạo ra về mặt lý thuyết. Cốt lõi của hệ thống quang học thích ứng là một tấm gương mỏng, linh hoạt, được điều khiển bằng máy tính. Các nhà thiên văn nhắm vào một ngôi sao tham chiếu khá sáng gần đối tượng mà họ muốn nghiên cứu. Máy tính phân tích ánh sáng tới để đo cách bầu khí quyển làm mờ nó.

Sau đó cho hệ thống điều khiển biết cách điều chỉnh hình dạng của gương để chỉnh sửa hình ảnh theo thời gian thực. Bởi vì nhiễu loạn khí quyển thay đổi liên tục, các hệ thống như vậy có thể thay đổi hình dạng của gương lên đến 1.000 lần mỗi giây. Nếu không có ngôi sao tham chiếu sáng nào nằm gần đó, các nhà thiên văn có thể chỉ cần chiếu chùm tia laze mạnh vào tầng khí quyển trên của Trái Đất và tạo ra ánh sáng tham chiếu riêng.

Làm gương kính thiên văn

Trước khi họ có thể tận dụng thế hệ kính thiên văn tiếp theo, các kỹ sư phải chế tạo những tấm gương quan trọng và khổng lồ.

Đầu tiên, họ đúc một chiếc gương nguyên khối. Nhà thiên văn học Roger Angel của Đại học Arizona đã đi tiên phong trong phương pháp này sau khi tiến hành một thí nghiệm năm 1980. Các kỹ thuật viên bắt đầu quy trình bằng cách đặt các khối thủy tinh vào khuôn lò. Sau đó, họ nâng nhiệt độ của lò lên 2.100 độ F, quay toàn bộ cụm lò với tốc độ 5 vòng / phút. Sau khi các khối tan chảy đến độ sệt, thủy tinh sẽ chảy thành hình dạng giống cái bát hoặc hình parabol. Gương dày không quá 1 inch và có cấu trúc tổ ong để giảm trọng lượng của chúng. Sau đó các kỹ thuật viên sẽ mài và đánh bóng bề mặt gương theo đúng hình dạng cần thiết.

Phòng thí nghiệm Gương Richard F. Caris của Arizona đã đúc gương cho nhiều kính thiên văn khổng lồ nhất thế giới, bao gồm Đài quan sát MMT 6,5 mét và đôi quái vật dài 8,4 mét của Kính viễn vọng hai mắt lớn.

Kỹ thuật thiết kế thứ hai, được phát triển vào năm 1977 bởi nhà thiên văn học quá cố Jerry Nelson của Đại học California, Santa Cruz. Kết hợp nhiều phân đoạn gương lục giác thành một cấu trúc duy nhất. Mặc dù bản thân các phân đoạn này không lớn nhưng việc ghép chúng lại với nhau có thể tạo ra một kính thiên văn đẳng cấp thế giới. 

Cả hai kính thiên văn Keck dài 10 mét trên Mauna Kea của Hawaii đều có 36 đoạn, mỗi đoạn dài khoảng 6 feet và nặng 880 pound. Gran Telescopio Canarias cao 10,4 mét trên La Palma thuộc quần đảo Canary có cùng số lượng các đoạn hình lục giác với các Kecks nhỏ hơn một chút.

Khảo sát bầu trời siêu nhanh

Vậy những công cụ mới này thực sự sẽ là gì, và chúng sẽ làm gì? Trong số bốn thế hệ tiếp theo chuẩn bị cách mạng hóa thiên văn học, Kính viễn vọng Khảo sát Toàn cảnh Lớn (LSST) nên là chiếc đầu tiên hạ cánh trên hiện trường. Điều khiến LSST trở nên khác biệt không phải là kích thước của nó. (Gương chính 8,4 mét của nó có thể vừa vặn thoải mái tại một số đài quan sát trên đỉnh núi hiện tại). Mà chính là khả năng thu lấy hình ảnh bầu trời rộng lớn một cách nhanh chóng.

Nằm trên đỉnh Cerro Pachón ở trung tâm phía bắc Chile, LSST chỉ mất 15 giây để cung cấp hình ảnh sắc nét bao phủ 9,6 độ vuông của bầu trời. Tương đương với diện tích của hơn 40 Mặt trăng và gần 5.000 lần trường ảnh của Máy ảnh trường rộng của Hubble 3.

“LSST sẽ có được bức tranh lớn trong không gian bằng cách chụp hơn 800 hình ảnh mỗi đêm của mọi mảng trời có thể nhìn thấy được trong sáu bộ lọc màu.” Nhà khoa học trưởng của LSST, Tony Tyson tại Đại học California, Davis, cho biết. “Đây sẽ là một bộ phim màu kỹ thuật số về vũ trụ, khám phá thiên nhiên theo những cách mới.”

Điều quan trọng không kém đối với thành công của LSST là camera chụp ảnh 3,2 gigapixel. Chiếc máy ảnh kỹ thuật số lớn nhất trên thế giới không phải là thứ bạn muốn mang theo trong kỳ nghỉ tiếp theo của mình: Nó kéo dài 5,5 x 9,8 feet và nặng khoảng 6.200 pound. LSST sẽ chụp hai hình ảnh 15 giây liên tiếp của một vùng trời, sau đó nhanh chóng so sánh chúng để loại bỏ bất kỳ bức xạ đi lạc nào chạm vào máy dò. (Nó tương tự như việc chụp nhiều ảnh của một tòa nhà nổi tiếng để xóa khách du lịch bằng kỹ thuật số.)

Sau đó, phạm vi di chuyển đến khu vực tiếp theo của bầu trời – một chuyển động chỉ mất trung bình 10 giây – và lặp lại quá trình. Hình ảnh bắn nhanh như vậy có nghĩa là LSST có thể bao phủ toàn bộ bầu trời có thể nhìn thấy từ Cerro Pachón ba ngày một lần.

Phần mềm máy tính ban đầu sẽ xử lý hình ảnh trong 60 giây, tìm kiếm bất kỳ thứ gì đã thay đổi độ sáng hoặc vị trí so với các hình ảnh trước đó của cùng một khu vực. Khi tìm thấy thứ gì đó, nó sẽ ngay lập tức gửi cảnh báo cho các nhà nghiên cứu để theo dõi nhanh chóng. Các nhà thiên văn học kỳ vọng LSST sẽ cung cấp tới 10 triệu cảnh báo mỗi đêm – trung bình là 278 cảnh báo mỗi giây trong một phiên quan sát điển hình kéo dài 10 giờ.

Đây sẽ là một lợi ích cho các nhà khoa học nghiên cứu các sự kiện thoáng qua, chẳng hạn như các vụ nổ sao tạo ra các nova và siêu tân tinh. Các nỗ lực của LSST cũng nên phát triển một cuộc điều tra dân số chi tiết về các vật thể nhỏ trong hệ Mặt trời, phát hiện ra các vật thể gần Trái đất hơn 10 đến 100 lần và các vật thể ở xa Vành đai Kuiper nằm ngoài quỹ đạo của Sao Hải Vương.

Tấm gương của LSST, được đúc trong Caris Mirror Lab bắt đầu từ tháng 3 năm 2008, đã lên đỉnh núi vào ngày 11 tháng 5 năm 2019. Các nhà thiên văn học dự kiến ​​nó sẽ xuất hiện trực tuyến vào năm 2021, với các hoạt động khoa học đầy đủ cho cuộc khảo sát theo kế hoạch kéo dài 10 năm bắt đầu vào năm 2022 sau khi nó đã được hiệu chỉnh đầy đủ.

Nếu một chiếc gương khổng lồ có thể cung cấp nhiều khoa học như vậy, tại sao không thử dùng bảy chiếc? Đó là ý tưởng đằng sau GMT, đang được xây dựng tại Đài quan sát Las Campanas của Chile. GMT bao gồm bảy chiếc gương dài 8,4 mét trong một cấu trúc duy nhất, được sắp xếp theo kiểu hoa cúc với một gương chính giữa được bao quanh bởi sáu “cánh hoa”. 

Caris Mirror Lab đã bận rộn với dự án này, và vừa hoàn thành chiếc gương thứ hai vào tháng Bảy; ba chiếc tiếp theo đều đã được đúc và đang ở các giai đoạn mài, đánh bóng hoặc thử nghiệm khác nhau. Tại Las Campanas, một phi hành đoàn 40 người đã hoàn thành việc khai quật nền của kính thiên văn vào mùa xuân năm ngoái.

McCarthy nói: “Chúng tôi có thể vận hành với bốn tấm gương tại chỗ. “Điều đó khiến nó trở thành kính thiên văn khổng lồ trên thế giới cho đến nay.” GMT sẽ đạt được cột mốc đó vào năm 2026 và cả bảy sẽ có mặt vào năm 2028. Nói chung, các gương sẽ cung cấp cho thiết bị khẩu độ hiệu dụng là 24,5 mét, khoảng 10 lần so với Hubble, do đó, nó sẽ đạt được độ phân giải tốt hơn 10 lần so với đài quan sát quỹ đạo. Vị trí của nó cao hơn mực nước biển khoảng 8.248 feet trong sa mạc Atacama khô cằn sẽ cho nó tầm nhìn tuyệt vời trong ánh sáng nhìn thấy cũng như quang phổ cận hồng ngoại. Nhưng nó sẽ không phải là người duy nhất có những quan điểm mới và cải tiến đó.

ELT sẽ nhìn thấy ánh sáng đầu tiên vào năm 2025

Hai kính thiên văn khổng lồ khác của thập kỷ tới đã đi theo một lộ trình khác. Cả Kính viễn vọng Cực lớn (ELT) và Kính viễn vọng Ba mươi Mét (TMT) sẽ bao gồm hàng trăm đoạn hình lục giác ghép lại với nhau để tạo ra các khu vực thu thập voi ma mút.

ELT của Châu Âu tự hào có 798 đoạn trong gương chính – mỗi đoạn có chiều ngang 55 inch – tạo cho gương chính của kính thiên văn có khẩu độ 39 mét. Công ty quang học Schott của Đức đã đúc sản phẩm đầu tiên trong số các phân khúc này vào đầu năm 2018 và bắt đầu sản xuất chúng kể từ đó. Động thổ xây dựng kính thiên văn voi ma mút diễn ra vào tháng 6 năm 2014 trên Cerro Armazones, một ngọn núi cao 9,993 foot ở Chile. Nếu mọi thứ diễn ra theo đúng kế hoạch, ELT sẽ nhìn thấy ánh sáng đầu tiên vào năm 2025, cùng khoảng thời gian với GMT.

Như tên gọi của nó, 492 phân đoạn của TMT sẽ cung cấp cho gương chính của kính thiên văn khổng lồ có khẩu độ 30 mét. Các đối tác Nhật Bản của dự án đang sản xuất gương thô, có kích thước tương đương với gương ELT, trong khi các nhóm ở Nhật Bản, Trung Quốc, Ấn Độ và Hoa Kỳ sẽ đánh bóng, cắt và gắn chúng. 

TMT sẽ tham gia cùng những người anh em họ Keck của mình trên đỉnh Mauna Kea ở độ cao 13.287 feet. Trang web cung cấp cho TMT quyền truy cập vào toàn bộ bầu trời phía bắc, điều mà không ai trong số ba trang khác có thể lấy được từ các trang web của họ ở Chile. Nó cũng là phạm vi cao nhất trong các phạm vi mới lớn, đặt nó trên nhiều bầu khí quyển của Trái đất hơn.

Nhưng trang web cũng có một nhược điểm lớn. Mauna Kea rất thiêng liêng đối với người Hawaii bản địa. Việc xây dựng kính thiên văn đã gặp phải nhiều sự phản đối. Không rõ liệu đài thiên văn mới có bao giờ được xây dựng hay không, nhưng Tòa án tối cao của Hawaii đã ra phán quyết vào tháng 10 năm 2018 rằng việc xây dựng có thể được tiến hành.

Bao vây của TMT – nơi sẽ chứa phạm vi và các thiết bị điện tử liên quan – đã được hoàn thiện và đang chờ vận chuyển đến hòn đảo từ Canada. Với những thách thức pháp lý có lẽ đã được giải quyết, các nhà khoa học đang hướng tới ánh sáng đầu tiên vào năm 2026.

Khoa học bằng thuyền tải

Với khả năng thu thập ánh sáng và độ phân giải chưa từng có, GMT, ELT và TMT hứa hẹn với các nhà thiên văn những góc nhìn tốt nhất về các vật thể mờ nhạt và các vùng đông đúc. Các nhà khoa học hy vọng những kính thiên văn khổng lồ này sẽ làm sáng tỏ nhiều vấn đề đáng lo ngại. Ở gần nhà, việc tìm kiếm các hành tinh giống Trái đất trong quỹ đạo giống Trái đất xung quanh các ngôi sao gần đó sẽ được ưu tiên. Thú vị hơn nữa sẽ là khả năng mới để xem xét các thế giới này. 

McCarthy cho biết: “Hầu hết các hành tinh ngoài này đều ở quá gần với các ngôi sao mẹ của chúng để nghiên cứu. Nhưng với GMT và các phạm vi lớn khác, “Chúng tôi sẽ tách ánh sáng của hàng trăm hành tinh khỏi các ngôi sao chủ của chúng. Chúng tôi sẽ có thể theo dõi thời tiết thông qua sự thay đổi màu sắc và xem xét tính chất hóa học của khí quyển hành tinh. “

Sao sinh và sao chết cũng là những ngành học thu hút. Quang phổ độ phân giải cao sẽ giúp các nhà nghiên cứu hiểu tại sao các ngôi sao lại có khối lượng lớn như vậy và thăm dò sâu hơn bao giờ hết vào các ngôi sao thất bại có khối lượng thấp hơn được gọi là sao lùn nâu. 

Kính thiên văn tìm kiếm các siêu tân tinh ở những vùng xa nhất của vũ trụ

Vào cuối vòng đời của một ngôi sao, những công cụ này sẽ tìm kiếm các siêu tân tinh ở những vùng xa nhất của vũ trụ. Nghiên cứu những sao gần đó một cách chi tiết. Xem xét thuật giả kim vũ trụ đang xảy ra trong những ngôi sao đang nổ này. Độ phân giải cao cho phép các nhà thiên văn học nghiên cứu vùng trung tâm của Dải Ngân hà. Cũng như các cụm sao như R136 trong Đám mây Magellan Lớn.

Những kính thiên văn khổng lồ sẽ trả lời những vấn đề về cấu trúc cơ bản của vũ trụ. Với những phạm vi khẩu độ lớn và khả năng hồng ngoại này, McCarthy nói, “chúng ta sẽ [có thể] nhìn lại vũ trụ sơ khai, với những thiên hà chỉ từ 100 đến 500 triệu năm tuổi”. Đây sẽ là liên kết quan trọng đầu tiên cung cấp cái nhìn tổng thể về cách các thiên hà phát triển theo thời gian. Mối quan hệ của chúng với các lỗ đen siêu lớn tại trung tâm của chúng. 

Các thiết bị này sẽ làm sáng tỏ Dải Ngân hà đã phát triển như thế nào. Bằng cách nuốt chửng những vệ tinh nhỏ bé gần đó. Giải thích về những gì đến trước: các thiên hà hay các hố đen?

Ở giai đoạn này, vũ trụ vẫn khiến các nhà khoa học băn khoăn. Bởi việc tìm kiếm lời giải thích về vật chất tối giữ các thiên hà với nhau. Năng lượng tối khiến sự giãn nở của vũ trụ tăng tốc. Những kính thiên văn mới này cung cấp dữ liệu mới, quan trọng để giúp giải đáp bí ẩn. Giúp giải quyết sự khác biệt giữa cách đo tốc độ giãn nở khác nhau của vũ trụ.

Phạm vi lớn sẽ hoạt động với Kính viễn vọng Không gian James Webb 6,5m quay 10-15 năm tới. Kính thiên văn Hooker và Hale đã chỉ ra cũng có loạt bí ẩn mới đang cố gắng tìm hiểu.