Một năm sau khi ra mắt, các nhà thiên văn học đang tiết lộ những bí mật của vũ trụ, khi kết quả khoa học đầu tiên từ các quan sát được thực hiện bởi Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) được phát hành. Tháng này, Thế giới vật lý đang xuất bản một loạt các bài đăng trên blog về những khám phá. Đây là bài thứ tư trong sê-ri – bạn có thể đọc bài trước tại đây.
Đã một năm kể từ khi Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) ra mắt và sau quá trình triển khai nguy hiểm và chuẩn trực cẩn thận, cuối cùng nó cũng gửi về những hình ảnh và dữ liệu đáng kinh ngạc. Tuy nhiên, chuyển từ bệ phóng sang hoạt động đầy đủ không phải là nhiệm vụ dễ dàng. Đây là một lời nhắc nhở về cách tất cả đã xảy ra.
Ngày Giáng sinh 2021: Sau gần 25 năm phát triển, JWST đã bay vào vũ trụ trên tên lửa Ariane 5. Sự ra mắt của nó là một chiến thắng vượt qua những khó khăn về công nghệ, vượt ngân sách và tiến độ, và thậm chí là bị Quốc hội Hoa Kỳ hủy bỏ (tạm thời). Do đó, cảm xúc dâng cao khi thời gian đếm ngược bệ phóng gần bằng không.
“Thật căng thẳng,” thừa nhận Susan Mulally, nhà khoa học phó dự án của JWST tại Viện Khoa học Kính viễn vọng Không gian (STScI) ở Baltimore. “Tôi không thể tin đó là sự thật,” nói thêm Naomi Rowe-Gurney, một postdoc JWST GTO (Quan sát thời gian được đảm bảo) tại Trung tâm Chuyến bay Không gian Goddard của NASA, nơi cô ấy đang hỗ trợ Nhóm Hệ thống Hành tinh. “Tôi đã mong đợi một sự chậm trễ khác của một số loại. Tôi đã nghĩ nó sẽ không bao giờ ra mắt.”
Một hành trình nguy hiểm
Bản chất dừng-bắt đầu của quá trình phát triển dự án xuất hiện một phần do độ phức tạp ngày càng tăng của kính thiên văn, có gương chính 6.5 mét được phân đoạn cũng như tấm chắn nắng cách nhiệt mỏng manh, năm lớp, có kích thước bằng sân tennis. Cả hai yếu tố phải mở ra như origami sau khi được gấp lại để phù hợp với bên trong tên lửa - một quá trình kéo dài 30 ngày trùng với hành trình của kính viễn vọng tới điểm L2 Lagrange ở phía bên kia của Mặt trời, cách Trái đất 1.6 triệu km.
Điểm này còn quá xa vời đối với loại dịch vụ có sự hỗ trợ của phi hành gia mà Kính viễn vọng Không gian Hubble đã nhận được do hệ thống quang học bị lỗi của nó vào năm 1993. Nếu có sự cố xảy ra với gương của JWST trong quá trình triển khai, các nhà thiên văn sẽ bị mất trắng 10 tỷ đô la con voi trôi nổi trong không gian sâu thẳm.
Rowe-Gurney nói: “30 ngày đầu tiên đó khá căng thẳng, bởi vì bất kỳ vấn đề nào cũng chỉ là hỏng hóc ở một điểm duy nhất và điều đó có nghĩa là chúng tôi sẽ không có kính thiên văn,” Rowe-Gurney nói.
Tất cả đã nói, có 344 điểm có thể xảy ra hỏng hóc như vậy: 344 điểm mà các bộ phận chuyển động phức tạp của kính viễn vọng phải hoạt động hoàn hảo trong chân không lạnh giá của không gian. Tuy nhiên, công việc họ đã làm – “thật phi thường” theo Jane Rigby của NASA, người đã phát biểu tại Kết quả khoa học đầu tiên từ JWST hội nghị được tổ chức tại STScI vào đầu tháng này.
Rowe-Gurney nói: “Ngày mà tôi biết điều này thực sự sẽ hoạt động là khi cần chính đó vung ra, và gương phụ gập lại, và chúng tôi thực sự có một chiếc kính thiên văn. “Ngay cả khi các lần triển khai tiếp theo không hoạt động, chúng tôi vẫn có thể thu ánh sáng và đưa nó vào các thiết bị.”
Tập trung kính thiên văn
Với cả hai gương đã được triển khai, bước tiếp theo là tập trung 18 phân đoạn berili hình lục giác của gương chính. Điều này đã được thực hiện trong bảy giai đoạn. Ban đầu, mỗi phân đoạn tạo ra một hình ảnh không tập trung khác nhau, vì vậy giai đoạn đầu tiên là nhận ra hình ảnh nào thuộc về phân khúc gương nào. Bước tiếp theo là căn chỉnh gần đúng các gương sao cho 18 hình ảnh đều được lấy nét. Sau đó, các phân đoạn được điều chỉnh thêm để chúng bắt đầu tập trung tại cùng một điểm.
Tiếp theo đó là các mức độ tinh chỉnh khác nhau và đảm bảo rằng tiêu điểm nằm trong trường nhìn của các công cụ khác nhau, sau đó là một loạt các hiệu chỉnh để đảm bảo các phân đoạn được căn chỉnh trong phạm vi 50 nm của nhau. Cuối cùng, sau quá trình kéo dài ba tháng, kính viễn vọng đã được lấy nét.
Phá vỡ giới hạn tốc độ
Khi kính thiên văn ở tình trạng tốt, bước tiếp theo là hiệu chỉnh các thiết bị riêng lẻ của nó: Camera hồng ngoại gần (NIRCam), Các Máy đo phổ hồng ngoại gần (NIRSpec), và MIRI, bộ máy dò tạo nên Dụng cụ hồng ngoại trung bình.
Các vật thể ở xa, trong không gian sâu xuất hiện cố định trên bầu trời, nhưng các vật thể trong hệ mặt trời lại di chuyển trên nền các ngôi sao, tinh vân và thiên hà đó. Do đó, để chụp ảnh các hành tinh, mặt trăng, sao chổi và tiểu hành tinh, JWST phải theo dõi chúng bằng cách quay tàu vũ trụ. Trước khi ra mắt, giới hạn tốc độ theo dõi đã được giới thiệu: 30 mili giây trên giây, trong đó một giây cung bằng 1/3600 độ).
Tuy nhiên, khi ở trong không gian, nhóm nghiên cứu nhận ra giới hạn này hơi bi quan. Rowe-Gurney, người đã tham gia vận hành các công cụ thu thập dữ liệu về mục tiêu di chuyển và ánh sáng tán xạ, cho biết: “Chúng tôi đang thử nghiệm tốc độ theo dõi của mình và chúng tôi nhận ra rằng chúng tôi thực sự có thể làm nhanh hơn nhiều.
Tốc độ theo dõi tăng lên trở nên hữu ích vài tháng sau đó, khi JWST quan sát thấy hậu quả của tác động DART (Thử nghiệm chuyển hướng tiểu hành tinh kép) lên tiểu hành tinh nhỏ Dimorphos. Nhiệm vụ của DART là Thế giới vật lýkhoa học đột phá của năm cho năm 2022 và JWST có thể chụp ảnh các mảnh vỡ bị đẩy ra khỏi tác động của nó bằng cách theo dõi nhanh hơn ba lần so với giới hạn ban đầu, giữ cho tiểu hành tinh trong trường nhìn mà không bị mờ. Thật vậy, kính thiên văn kể từ đó đã đạt được tốc độ theo dõi lên tới 120 mili giây trên giây. Tuy nhiên, nó theo dõi càng nhanh thì hiệu quả theo dõi của nó càng thấp, dẫn đến sự thỏa hiệp ở mức trung bình. Rowe-Gurney cho biết: “Trong năm tới, tốc độ theo dõi an toàn sẽ lên tới 75 mili giây trên giây, nhiều hơn gấp đôi giới hạn tốc độ, vì vậy chúng ta sẽ có thể theo dõi nhiều vật thể hơn nữa trong hệ mặt trời mà không làm hỏng kính thiên văn,” Rowe-Gurney nói.
Loại bỏ ánh sáng tán xạ
Khi JWST nhìn chằm chằm vào một vật thể sáng – một hành tinh, một ngôi sao, thậm chí là một chuẩn tinh ở xa – một số ánh sáng dư thừa sẽ tạo thành mô hình nhiễu xạ. Mô hình này là nguyên nhân của các "gai" được nhìn thấy xung quanh các ngôi sao tiền cảnh trong nhiều hình ảnh của JWST và mặc dù đẹp nhưng nó có thể che khuất các chi tiết khoa học. May mắn thay, kiểu nhiễu xạ duy nhất của mọi kính thiên văn có thể được mô tả là hàm trải rộng điểm và bằng cách mô tả hình dạng của hàm trải rộng điểm này cho JWST và các thiết bị của nó, các nhà thiên văn học có thể loại bỏ ánh sáng ngoại lai khỏi hình ảnh khi cần thiết.
Một trường hợp điển hình là hình ảnh của ngôi sao Wolf–Rayet WR 140 của JWST, nằm cách chúng ta 5000 năm ánh sáng. Khi lần đầu tiên được JWST chụp ảnh, các nhà thiên văn học đã vô cùng sửng sốt khi nhìn thấy 17 vòng đồng tâm, hoặc lớp vỏ, xung quanh ngôi sao. Những chiếc nhẫn này ban đầu được cho là tạo tác hình ảnh từ kính viễn vọng, nhưng sau khi loại bỏ chức năng trải rộng điểm, những chiếc nhẫn vẫn còn đó. Điều tra sâu hơn dựa trên mô phỏng cho thấy gió sao từ các sao đôi có thể tạo ra các vòng bụi nơi chúng va chạm và ngưng tụ. Hơn nữa, kiểu của các vòng mô phỏng khớp chính xác với kiểu của các vòng xung quanh WR 140, thậm chí xuống đến một đặc điểm tuyến tính cắt qua các vòng do phát xạ hồng ngoại tăng cường trong tầm nhìn của chúng ta.
Các quan sát của WR 140 cho thấy lần đầu tiên cấu trúc gió va chạm xung quanh một ngôi sao đôi được lập bản đồ 3D. Nhưng nếu các nhà thiên văn học không lập mô hình đầu tiên về mô hình ánh sáng tán xạ rò rỉ vào kính thiên văn để họ có thể loại bỏ nó, thì sẽ không thể nhận ra những gì các quan sát đang nói với chúng ta.
Đồ chơi mới của các nhà thiên văn học
Ví dụ về ngôi sao Wolf–Rayet cho thấy tầm quan trọng của việc tìm hiểu về kính thiên văn trong khi thực hiện các quan sát. “Đó là điều bạn phải suy nghĩ rất nhiều,” Mullally nói. “Mỗi bước bạn đều hy vọng có một chuyên gia trong nhóm của mình, người biết càng nhiều càng tốt về công cụ hoặc về cách thực hiện các loại quan sát đó.”
Theo đó, một trong những động lực đằng sau JWST's Khoa học phát hành sớm (ERS) là để giúp một số nhà thiên văn học làm quen với kính viễn vọng và các thiết bị của nó để họ có thể giúp những người khác bắt kịp tốc độ cho các chu kỳ quan sát sau này. Rowe-Gurney nói: “Nó giống như một món đồ chơi mới. “Có rất nhiều công việc liên quan đến cách xử lý và hiệu chỉnh dữ liệu để đảm bảo dữ liệu đáng tin cậy.”
May mắn thay, JWST đang chơi bóng. Mullally nói: “Các nhà khoa học về dụng cụ có thể nói rằng họ vẫn đang tìm hiểu về dụng cụ của họ và cách loại bỏ các hệ thống nhỏ, đồ tạo tác và những thứ tương tự như vậy trong dữ liệu của bạn,” Mullally nói, “nhưng nhìn chung ấn tượng mà tôi nhận được từ mọi người là kính viễn vọng đang thể hiện một cách tuyệt vời.”
rủi ro tác động
Cho đến nay, chỉ có một cảnh báo đối với hiệu suất của JWST: thiệt hại do tác động của micrometeoroid. Trung bình, gương của kính viễn vọng mỗi tháng bị một vật gì đó đủ lớn đập vào cảm biến mặt sóng, đó là khả năng phát hiện lỗi của kính thiên văn trong việc căn chỉnh quang học của nó có thể biểu hiện dưới dạng sóng ánh sáng lệch pha. Việc giảm cảm biến mặt sóng này có thể làm cho hình ảnh kém sắc nét hơn.
Những tác động như vậy đã được dự đoán trước khi phóng và dự kiến sẽ không đủ lớn để đe dọa tuổi thọ của kính thiên văn. Tuy nhiên, vào tháng 2022 năm 9, một trong các phân khúc gương đã nhận được tác động lớn hơn bình thường. Trong bài nói chuyện của mình tại Hội nghị JWST về Kết quả Khoa học Đầu tiên, Rigby đã báo cáo rằng tác động này để lại vết thương dài một foot, làm tăng tổng sai số mặt sóng của kính thiên văn lên 150 nm. Điều này rất quan trọng vì nếu sai số mặt sóng đạt tới 10 nm, thì kính viễn vọng sẽ không còn đủ nhạy để đáp ứng các mục tiêu khoa học của nó nữa – nghĩa là chỉ cần XNUMX tác động ở quy mô tương tự sẽ là “trò chơi kết thúc” đối với JWST.
Hơi lo lắng trước viễn cảnh này, NASA đã triệu tập một nhóm làm việc về vi thiên thạch để điều tra rủi ro. Dân số micrometeoroid tại L2 đã được biết rõ; điều chưa rõ ràng là mối quan hệ giữa động năng của các tác động và sự xuống cấp của cảm biến mặt sóng. Có phải những tác động lớn như vậy là cực kỳ hiếm và JWST chỉ đơn giản là không may mắn vào tháng Năm? Hay kính viễn vọng sẽ trải qua những tác động nghiêm trọng hơn với tần suất lớn hơn dự đoán?
Chuẩn tinh, ngoại hành tinh và bầu khí quyển của các thế giới xa xôi: thông tin thêm về kết quả đầu tiên từ JWST
Cho đến khi nhóm làm việc đưa ra câu trả lời, những người quản lý kính thiên văn đang giảm thiểu rủi ro bằng cách khuyến khích các nhà thiên văn học tính thời gian cho các quan sát của họ (nếu có thể – các quan sát nhạy cảm với thời gian được miễn) để kính viễn vọng không hướng vào “cơn mưa” vi thiên thạch.
Nếu hệ thống này thành công hoặc nhóm làm việc đưa ra câu trả lời chắc chắn về tỷ lệ tác động, thì JWST sẽ có một cuộc sống lâu dài phía trước. Nhờ sự ra mắt hoàn hảo của nó và hành trình đến L2 chỉ cần điều chỉnh hướng đi tối thiểu, phạm vi có đủ nhiên liệu đẩy trên tàu để tiếp tục sứ mệnh của mình trong ít nhất 27 năm nữa. Nếu 12 tháng đầu tiên của sứ mệnh là bất kỳ dấu hiệu nào, thì 27 năm này sẽ tạo ra vô số quan điểm và dữ liệu mới giật gân từ một công cụ tuyệt vời, với khả năng cao sẽ làm thay đổi vật lý thiên văn, nghiên cứu ngoại hành tinh, vũ trụ học, v.v. Chuyến tàu lượn siêu tốc khi ra mắt JWST có thể đã kết thúc, nhưng hành trình thực sự mới chỉ bắt đầu.
