Điểm lại 10 lần Kính viễn vọng Không gian James Webb đã làm rung chuyển ngành thiên văn học trong năm 2022

Ngay từ khi ý tưởng về Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) còn trong giai đoạn thai nghén, các nhà khoa học đã có thể khẳng định thiết bị tiên tiến bậc nhất lịch sử sẽ mở ra chương mới cho ngành thiên văn học.

Lên không vào ngày 25/12/2021, chính thức vận hành hết công suất vào tháng Bảy vừa qua, kính Webb đã mang về cho những hình ảnh chưa từng thấy về một vũ trụ vẫn còn nhiều bí ẩn. Giống như hệ thống tiền nhiệm - Kính viễn vọng Không gian Hubble, kính Webb cũng nằm trong không gian lạnh lẽo để có thể chụp những tấm ảnh sắc nét, không bị méo mó bởi ảnh hưởng từ khí quyển Trái Đất.

Những kính Webb khác biệt với kính Hubble ở nhiều điểm. Kính Hubble bay trong quỹ đạo quanh Trái Đất với khoảng cách 540 kilomet, trong khi đó JWST nằm cách chúng ta tới 1,5 triệu kilomet, xa hơn cả khoảng cách Trái Đất - Mặt Trăng. Tại vị trí này, kính Webb không bị ảnh hưởng từ nhiệt lượng tỏa ra từ Trái Đất, và có thể thu thập những thứ ánh sáng “tỷ năm tuổi” và quan sát Vũ trụ với độ sắc nét chưa từng có.

Bằng Kính viễn vọng Không gian James Webb, các nhà khoa học có thể tạo dựng bối cảnh của một vũ trụ xa xưa, chỉ vài tỷ năm sau khi sự kiện Big Bang diễn ra - Ảnh: NASA.

Do ảnh hưởng từ hiện tượng giãn nở của Vũ trụ, những bước sóng ánh sáng hướng về phía Trái Đất sẽ bị giãn ra, từ đó khiến những vật thể phát sáng ở xa có ánh đỏ hơn bình thường. Ở một khoảng cách đủ xa, ánh sáng phát ra từ một thiên hà có thể “dịch chuyển” tới bước sóng hồng ngoại (hay còn gọi là hiện tượng “dịch chuyển đỏ - redshift”).

Ánh sáng càng đỏ, tuổi thọ của vật thể phát sáng càng cao. Kính Webb có thể lần ra nguồn gốc của những ánh sáng đỏ này và tìm tới những thiên hà có tuổi đời hàng tỷ năm tuổi, chỉ thấp hơn chút đỉnh so với tuổi thọ Vũ trụ (khoảng thời gian tính từ sự kiện Big Bang tới nay, ước tính 13,8 tỷ năm).

Chỉ trong năm hoạt động đầu tiên, Kính viễn vọng Không gian James Webb đã liên tục lập nên những kỷ lục mới, mang về những hình ảnh chưa từng thấy về Vũ trụ. Dưới đây là 10 hình ảnh phô diễn sức mạnh của kính Webb, cũng là 10 cơ hội nghiên cứu cho ngành thiên văn học.

1. Tấm ảnh cho thấy quá trình tinh chỉnh gương đã hoàn tất

Hình ảnh do kính Webb chụp được so với hình chụp từ Trái Đất bởi Camera Năng lượng Tối - Ảnh: NASA.

Dù đã được thử nghiệm nhiều năm trong môi trường phòng thí nghiệm, kính Webb vẫn chưa sẵn sàng đối mặt với môi trường không gian khắc nghiệt. Phải mất nửa năm trời, các nhà khoa học mới có thể điều chỉnh, thử nghiệm để kính Webb có thể hoạt động hết công suất.

Một trong những tác vụ khó nhất là đặt 18 tấm gương lục giác vào đúng vị trí, để Kính viễn vọng Không gian James Webb thu thập được những ánh sáng hồng ngoại không thấy được bằng mắt thường. Hồi tháng Ba, NASA công bố hình ảnh đầu tiên mà dàn kính hoàn thiện thu thập được.

Dù chỉ là hình ảnh cho thấy gương đã vào vị trí, nhưng khi so sánh với hình ảnh chụp cùng một khoảng không đã thực hiện trước đây, ta có thể thấy chất lượng hai tấm ảnh khác xa nhau nhường nào.

2. Hai công nghệ từ hai kính viễn vọng, Spitzer và James Webb

Hình chụp một phần Cột trụ của Tạo hóa - Ảnh: NASA.

Lại một tấm ảnh so sánh cho thấy những khác biệt giữa kính Webb và những hệ thống tiền nhiệm khi chụp cùng một khoảng trời.

Bên trái là hình ảnh từ kính viễn vọng Spitzer, một thiết bị thu thập ánh sáng hồng ngoại khác với tấm gương thu sáng chỉ 85 centimet; bên phải là sản phẩm từ một tấm gương rộng tới 6,5 mét. Tấm ảnh kính Webb chụp được cho thấy trong không gian dường như bất tận, vẫn còn những nguồn sáng le lói khác mà những hệ thống trước đây không thể quan sát được.

3. Hình ảnh cụm thiên hà đầu tiên

Hình chụp cụm thiên hà SMACS 0723, chụp bởi kính Hubble (trái) và kính Webb (phải).

Được đặt tên SMACS 0723, cụm thiên hà còn mang danh nghĩa “tấm hình có màu đầu tiên của JWST do NASA công bố”. Trong ảnh, ta có thể thấy các thiên hà hiện hữu với nhiều hình dáng và màu sắc khác nhau. Nằm cách Trái Đất khoảng 4 tỷ năm ánh sáng, cụm thiên hà có khối lượng lớn đến nỗi làm méo ánh sáng phát ra từ những thiên thể nằm phía sau nó.

Hiện tượng bóp méo ánh sáng này được đặt tên là “thấu kính hấp dẫn”, có thể giúp các nhà khoa học quan sát những vật thể ở xa hơn nữa. Nói một cách đơn giản, những vật thể có lực hấp dẫn lớn có thể trở thành một thấu kính tự nhiên cho kính viễn vọng nhân tạo, giúp các nhà thiên văn học quan sát những thiên thể phát sáng nằm khuất đằng sau những vật thể này.

4. Bộ năm thiên hà của Quintet

Bộ năm thiên hà của Quintet. Chất lượng ảnh cho thấy công nghệ đã tiến bộ nhường nào - Ảnh: NASA.

Được đặt tên theo nhà thiên văn học người Pháp Édouard Stephan, năm thiên hà đã từng xuất hiện trên màn bạc trong bộ phim kinh điển It’s A Wonderful Life công chiếu năm 1946. Tấm ảnh này tác phẩm lớn nhất mà kính Webb thực hiện tính đến giờ, bao gồm 150 triệu pixel và ghép từ gần 1.000 tệp ảnh.

Đã từ lâu, các nhà thiên văn học để ý tới nhóm 5 thiên hà này, khi chúng cung cấp dữ liệu cho thấy các thiên hà tương tác với nhau thông qua lực hấp dẫn.

5. Cột trụ của Tạo Hóa

Cột trụ của Tạo hóa, một phần của Tinh vân Đại Bàng - Ảnh: NASA.

Được chụp bởi kính Hubble hồi năm 1995, có lẽ đây là tấm ảnh nổi tiếng nhất ngành thiên văn học. “Cột trụ của Tạo hóa” mô tả vùng sinh sao nằm tại Tinh vân Đại Bàng, là nơi khí và bụi vũ trụ tương tác và tạo ra những ngôi sao mới.

Tấm ảnh do kính Webb chụp lại bằng camera hồng ngoại cho thấy tiến bộ của công nghệ xa nhường nào trong những năm qua: xuyên qua màn bụi, chúng ta có thể thấy nền vũ trụ giàu ánh sáng tới mức nào.

6. Hình “đồng hồ cát” mô tả quá trình chào đời của một ngôi sao

"Ấu tinh" đồng hồ cát - Ảnh: NASA.

Tấm ảnh ấn tượng mô tả hiện tượng sinh sao diễn ra trong Dải Ngân hà. Cấu trúc mang hình dáng giống đồng hồ cát này là một đám mây bụi và khí đang vây quanh một ngôi sao trong quá trình hình thành, một ngôi sao được đặt tên L1527.

Chỉ hiện hữu dưới những camera hồng ngoại, đĩa bồi tụ (dải tối màu nằm giữa “đồng hồ cát”) cho phép ngôi sao sơ sinh thu thập đủ khối lượng để bắt đầu phản ứng hợp hạch với hydro, và sau đó một ngôi sao hoàn chỉnh sẽ chào đời.

Trong quá trình sinh thành, ánh sáng từ “ấu tinh” thắp sáng phần khí nằm ở hai phía đĩa bồi tụ, và tạo thành hình dáng đồng hồ cát ấn tượng. Phải nhờ Kính viễn vọng Không gian James Webb, ta mới có được hình ảnh rõ ràng của một ngôi sao đang thành hình.

7. Sao Mộc dưới con mắt hồng ngoại

Kính Webb còn có thể chụp những hành tinh khác trong Hệ Mặt Trời. Đáng tiếc, nó không thể chụp được Trái Đất vì quá chói - Ảnh: NASA.

Không chỉ đánh mắt tới những vùng trời xa, kính Webb còn có thể mang về những hình ảnh chi tiết về những hành tinh “hàng xóm” của chúng ta nội trong Hệ Mặt Trời.

Dù JWST không thể quan sát Trái Đất hay những hành tinh gần Mặt Trời - bởi lẽ nó phải luôn quay lưng lại phía Mặt Trời - nó vẫn có thể ngắm nghía những thiên thể nằm xa trung tâm Thái Dương Hệ. Tấm hình chụp Sao Mộc trên đây là ví dụ, tấm ảnh đồng thời giúp ta hiểu rõ hơn về cấu trúc mây và bão trên hành tinh khí khổng lồ. Ở hai cực Sao Mộc, chúng ta thấy những quầng sáng ma mị của cực quang.

Tấm hình không dễ chụp chút nào, bởi lẽ Sao Mộc quay rất nhanh quanh trục và cũng bay rất nhanh trong quỹ đạo quanh Mặt Trời. Thành công cho thấy công nghệ có trên hệ thống kính Webb tiên tiến tới mức nào.

8. Thiên hà “ma”

Kính Webb còn có thể cường hóa những hệ thống kính viễn vọng ta đang có - Ảnh: NASA.

Những hình ảnh trên đây mô tả M74, hay còn có tên gọi khác là Thiên hà Ma. Loạt ảnh cho thấy sức mạnh của JWST không chỉ nằm tại chức năng chụp ảnh hồng ngoại, mà còn ở khả năng hậu thuẫn những hệ thống kính viễn vọng ta đang có.

Trong loạt ảnh trên, hình giữa cho thấy sự kết hợp hài hòa giữa ánh sáng nhìn thấy được do kính Hubble thu thập và ánh sáng hồng ngoại do kính Webb thu được.

Bên cạnh khả năng khai phá những góc nhìn mới của Vũ trụ, kính Webb còn là “phụ kiện” đáng giá của kính Hubble và những hệ thống khác.

9. Thiên hà xa xăm

Một trong những thiên hà đầu tiên trong Vũ trụ. Hình ảnh cho thấy thiên hà khi mới đang 300 triệu năm tuổi - Ảnh: NASA.

Mặc dù hình ảnh trên đây không mấy ấn tượng, nhưng thiên hà bé nhỏ - chấm đỏ trong ảnh bên phải - vẫn mang trong mình những kỷ lục đáng nể.

Tấm ảnh trên mô tả một Vũ trụ khi mới 350 triệu năm tuổi, tức là thiên hà trong ảnh là một trong những thiên hà đầu tiên xuất hiện Hậu Big Bang. Hiểu được cách những thiên hà hình thành trong buổi ban mai của Vũ trụ, chúng ta sẽ có thể hiểu hơn về chính Dải Ngân hà đang bao bọc lấy Hệ Mặt Trời “nhỏ bé”.

Đây là hình ảnh mới chỉ kính Webb chụp được; trong mắt kính Hubble, tấm ảnh này sẽ là một nền đen ảm đạm.

10. Cụm thiên hà Abell 2744

Hình ảnh cụm thiên hà Abell 2744, ghép từ loạt hình ảnh do kính Webb chụp được - Ảnh: NASA.

Tấm ảnh này được ghép từ rất nhiều ảnh đơn lẻ, tập trung mô tả cụm thiên hà Abell 2744, hay còn được gọi là Cụm thiên hà của Pandora. Số lượng thiên hà hiện hữu trong ảnh đã làm choáng ngợp giới thiên văn học: một vùng trời có kích cỡ tương đương kích cỡ Mặt Trăng đêm rằm có thể chứa tới hàng ngàn thiên hà. Từ đó ta có thể mường tượng ra quy mô Vũ trụ vĩ đại nhường nào.

Các nhà nghiên cứu có thể bỏ ra hàng ngàn giờ săm soi để tìm ra những điểm đặc biệt hiện hữu trong tấm ảnh này.

Chỉ sau một năm trời hoạt động, và khoảng trên dưới nửa năm trời vận hành hết công suất, Kính viễn vọng Không gian James Webb đã lập tức mở ra những trang sử mới cho ngành thiên văn học. Không chỉ là một thấu kính có khả năng “nhìn xa trông rộng”, JWST còn là một cỗ máy thời gian giúp các nhà khoa học du hành về buổi bình minh của Vũ trụ, nghiên cứu khoảng thời gian mà tại đó sao, thiên hà mới hình thành.

Xuyên qua tấm màn thời gian mờ ảo, chúng ta đi ngược thời gian, khám phá lịch sử của Vũ trụ để có thể chuẩn bị tốt hơn cho tương lai.

Theo NASA, The Conversation, Phys.org