Kính viễn vọng không gian Hubble – “mắt thần” khám phá vũ trụ

Để có thể quan sát được các thiên hà trong vũ trụ bao la, chúng ta không thể không nhắc đến kính viễn vọng. Nhờ chúng, con người có thể quan sát rõ ràng từ đặc điểm của các thiên hà cách xa hàng trăm năm ánh sáng. Đây là một phát minh vĩ đại đã giúp con người ngày càng tiến sâu hơn vào khám phá các vùng mới. Bài viết này sẽ giúp độc giả hiểu rõ hơn về lịch sử hình thành và đặc trưng nổi bật của kính viễn vọng không gian Hubble, được xem là con “mắt thần” khám phá vũ trụ.

1. Giải mã về thuật ngữ

Kính viễn vọng không gian Hubble (tiếng Anh: Hubble Space Telescope, viết tắt HST) là đài quan sát thiên văn vũ trụ do Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) và Cơ quan Không gian Châu Âu (ESA) hợp tác xây dựng và vận hành, được phóng lên quỹ đạo Trái Đất vào tháng 4 năm 1990. Được đặt tên theo nhà thiên văn học Mỹ Edwin Powell Hubble – người đã khám phá ra sự giãn nở của vũ trụ và chứng minh sự tồn tại của các thiên hà ngoài hệ Mặt Trời – Hubble không phải là kính viễn vọng không gian đầu tiên trên thế giới, nhưng lại trở thành một trong những phát minh khoa học vĩ đại nhất lịch sử nhân loại, mở ra một kỷ nguyên mới cho nghiên cứu thiên văn.

2. Lịch sử ra đời: Từ ý tưởng đến hiện thực sau 30 năm chờ đợi

Ý tưởng về một kính viễn vọng không gian đã được nảy sinh từ những năm 1940, khi các nhà thiên văn học nhận thấy rằng bầu khí quyển Trái Đất sẽ làm mờ và che chắn một phần ánh sáng từ vũ trụ, hạn chế khả năng quan sát của các kính viễn vọng đặt trên mặt đất. Tuy nhiên, quá trình xây dựng Hubble đã trải qua nhiều khó khăn và trì hoãn, kéo dài hơn 30 năm trước khi đài quan sát chính thức được phóng lên vũ trụ.

Ngay từ những năm 1970, NASA đã bắt đầu phác thảo dự án kính viễn vọng không gian, nhưng do vấn đề ngân sách và kỹ thuật, dự án đã bị hoãn lại nhiều lần. Để tiếp tục thực hiện dự án, NASA đã yêu cầu đối tác từ châu Âu hỗ trợ vốn, và ESA đã đồng ý cung cấp một số dụng cụ khoa học và tấm pin năng lượng mặt trời cho Hubble, với điều kiện được sử dụng đài quan sát trong ít nhất 15% thời gian hoạt động. Vào năm 1979, hai cơ quan đã ký hợp đồng chính thức với hai hãng sản xuất Lockheed (lắp ráp tàu vũ trụ) và Perkin-Elmer (lắp ráp hệ thống gương kính).

Tuy nhiên, quá trình chế tạo Hubble không diễn ra suôn sẻ: vào năm 1981, hãng Perkin-Elmer phát hiện ra lỗi khi chế tạo gương chính của đài quan sát, làm cho độ lõm của gương chỉ nhỏ hơn dự kiến 4 micron – ít hơn độ dày của một sợi tóc. Lỗi này gây ra hiện tượng cầu sai quang học, khiến các tia sáng không hội tụ tại cùng một điểm, làm giảm độ phân giải của kính viễn vọng đến 70% so với thiết kế ban đầu. Sau khi lỗi được phát hiện, NASA đã phải tái chế lại một phần hệ thống kính, khiến chi phí dự án tăng lên gần 1,5 tỷ đô la và trì hoãn thời gian phóng thêm vài năm.

Cuối cùng, vào ngày 24 tháng 4 năm 1990, Hubble được đưa lên quỹ đạo Trái Đất bằng tàu con thoi Discovery trong phi vụ STS-31 tại Trạm Không quân Cape Canaveral, Hoa Kỳ. Sau khi triển khai thành công vào ngày 25 tháng 4, đài quan sát bắt đầu hoạt động chính thức vào ngày 20 tháng 5 năm 1990, mở ra một kỷ nguyên mới cho nghiên cứu thiên văn toàn cầu.

3. Đặc trưng của kính viễn vọng không gian Hubble

Tại thời điểm phóng, kính viễn vọng không gian Hubble có khối lượng khoảng 11.110 kg, kích thước tương đương một chiếc xe bus lớn, được đặt trên quỹ đạo địa tâm ở độ cao khoảng 610 km – cao hơn khoảng 220 km so với quỹ đạo của Trạm Vũ trụ Quốc tế ISS. Với tốc độ di chuyển khoảng 7.500 m/s, Hubble có thể quay 1 vòng quanh Trái Đất chỉ trong 97 phút, khoảng 15 vòng mỗi ngày. Hệ thống thu nhận ánh sáng chính của Hubble sử dụng gương phản xạ Ritchey-Chrétien có đường kính 2,4 mét, được trang bị các camera và dụng cụ phân tích ánh sáng có khả năng thu nhận ánh sáng khả kiến, tia cực tím và bước sóng hồng ngoại cận, giúp quan sát các vật thể vũ trụ xa xăm mà không bị nhiễu bầu khí quyển Trái Đất.

Điểm đặc biệt nhất của Hubble là được thiết kế để có thể được sửa chữa và nâng cấp trực tiếp trên quỹ đạo, thay vì phải đưa về Trái Đất để bảo trì. Trong suốt 35 năm hoạt động, Hubble đã trải qua 4 phi vụ sửa chữa và nâng cấp, giúp giữ cho hệ thống hoạt động ổn định và cập nhật công nghệ cho đến ngày nay. Theo ước tính, Hubble sẽ tiếp tục hoạt động cho đến khoảng năm 2030-2040, khi nhiên liệu dùng để duy trì quỹ đạo cạn kiệt và đài quan sát sẽ rơi vào bầu khí quyển Trái Đất một cách an toàn.

4. Hành trình khắc phục lỗi cầu sai: Câu chuyện về sự cứu rỗi của “Mắt thần”

Ngay sau khi bắt đầu hoạt động, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng tất cả các hình ảnh do Hubble chụp đều mờ nhạt và không có độ nét như dự kiến. Sau khi điều tra chi tiết, họ đã xác định nguyên nhân chính là lỗi cầu sai quang học do chế tạo gương chính sai kích thước như đã nêu trước đó. Việc lỗi này được phát hiện sau khi Hubble đã được phóng lên vũ trụ tạo ra một khủng hoảng cho dự án, khiến nhiều người nghi ngờ rằng đài quan sát sẽ trở thành một khoản đầu tư lãng phí hàng tỷ đô la.

May mắn thay, Hubble được thiết kế theo mô-đun, cho phép các phi hành gia tháo gỡ, thay thế và sửa chữa từng bộ phận trên quỹ đạo – một tính năng độc đáo chưa từng có trên bất kỳ kính viễn vọng không gian nào trước đó. Vào tháng 12 năm 1993, phi vụ STS-61 của NASA đã thực hiện chuyến bay sửa chữa đầu tiên cho Hubble, với nhiệm vụ lắp đặt bộ gương điều chỉnh COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement) để khắc phục lỗi cầu sai quang học.

Cuộc sửa chữa này không chỉ yêu cầu kỹ thuật tinh xảo, mà còn phải thực hiện ở môi trường không gian nguy hiểm, với các phi hành gia phải đi bộ ngoài không gian hơn 35 giờ tổng cộng để lắp đặt COSTAR. Sau khi chuyến bay sửa chữa kết thúc, các nhà khoa học đã nhận được những hình ảnh đầu tiên của Hubble với độ nét hoàn hảo, vượt xa mọi kỳ vọng ban đầu. Hình ảnh chi tiết của tinh vân Mặt Trăng Cả và thiên hà Andromeda được phát sóng vào năm 1994 đã gây ra ấn tượng mạnh mẽ trên toàn thế giới, biến Hubble thành một biểu tượng của khoa học vũ trụ.

Từ đó đến nay, Hubble đã trải qua 4 phi vụ sửa chữa và nâng cấp khác, với mỗi chuyến bay đều giúp cập nhật công nghệ và nâng cao khả năng quan sát của đài quan sát:

• Phi vụ STS-82 năm 1997: Nâng cấp camera và hệ thống phân tích ánh sáng

• Phi vụ STS-103 năm 1999: Thay thế tấm pin năng lượng mặt trời và hệ thống máy tính

• Phi vụ STS-109 năm 2002: Nâng cấp camera hồng ngoại và thay thế hệ thống pin năng lượng

• Phi vụ STS-125 năm 2009: Lần sửa chữa cuối cùng và cập nhật công nghệ mới nhất cho đến ngày nay

Nhờ những chuyến bay sửa chữa, Hubble đã có thể hoạt động ổn định hơn 35 năm, vượt xa thời gian sử dụng dự kiến ban đầu là 15 năm.

5. Cơ chế hoạt động và công nghệ của Hubble

Khác với các kính viễn vọng đặt trên mặt đất, kính viễn vọng không gian Hubble hoạt động hoàn toàn ngoài bầu khí quyển Trái Đất, giúp tránh được hiện tượng khúc xạ ánh sáng do khí quyển gây ra, cho phép thu nhận hình ảnh vũ trụ với độ nét và độ chi tiết chưa từng có. Hệ thống hoạt động của Hubble được chia thành các bộ phận chính sau:

• Hệ thống gương kính chính

Gương chính của Hubble có đường kính 2,4 mét, được chế tạo từ vật liệu kính đặc biệt có khả năng chịu được nhiệt độ thay đổi mạnh trong không gian. Ánh sáng từ vũ trụ sẽ được phản xạ từ gương chính đến gương phụ nhỏ nằm ở đầu cột kính, sau đó được phản xạ trở lại qua một lỗ ở trung tâm gương chính, dẫn đến các dụng cụ khoa học được lắp đặt phía sau gương chính. Hệ thống gương này có khả năng thu nhận ánh sáng từ các vật thể vũ trụ xa đến 12 tỷ năm ánh sáng, cho phép quan sát các thiên hà ở giai đoạn đầu hình thành sau vụ nổ Big Bang.

• Dụng cụ khoa học và camera

Hubble hiện được trang bị 5 dụng cụ khoa học chính, giúp phân tích và ghi nhận ánh sáng từ vũ trụ theo nhiều bước sóng khác nhau:

• Advanced Camera for Surveys (ACS): Camera chính dùng để chụp hình ảnh ánh sáng khả kiến và tia cực tím, có độ phân giải cao hơn nhiều lần so với camera ban đầu của Hubble
• Wide Field Camera 3 (WFC3): Camera có góc chụp rộng, dùng để quan sát các tinh vân và thiên hà lớn, đồng thời có khả năng thu nhận ánh sáng hồng ngoại cận
• Cosmic Origins Spectrograph (COS): Dụ cụ phân tích ánh sáng hồng ngoại cận, giúp nghiên cứu thành phần hóa học của các tinh vân và thiên hà xa xăm
• Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS): Dụ cụ phân tích ánh sáng khả kiến và tia cực tím, dùng để nghiên cứu các sao trẻ, tinh vân và lỗ đen siêu khối
• Fine Guidance Sensor (FGS): Hệ thống định hướng chính của Hubble, giúp giữ cho đài quan sát đứng yên với độ chính xác lên đến 1/10 của một giây góc – tương đương với việc chiếu một tia laser đến đúng vào một đồng xu cách đó 320 km và giữ yên như thế.

Tất cả các dụng cụ khoa học trên Hubble đều được cấp năng lượng bởi 4 tấm pin năng lượng mặt trời, có tổng diện tích hơn 60 mét vuông, cung cấp khoảng 2.800 Watt điện mỗi ngày. Dữ liệu thu thập được từ các dụng cụ sẽ được truyền xuống Trái Đất qua các đĩa truyền thông vô tuyến, sau đó được phân tích tại Viện Nghiên cứu Vũ trụ Space Telescope Science Institute tại Baltimore, Hoa Kỳ.

6. Những khám phá vĩ đại của Hubble: Mở ra chân trời vũ trụ

Trong suốt 35 năm hoạt động, Hubble đã thực hiện hàng ngàn quan sát thiên văn, mang lại những khám phá thay đổi hoàn toàn hiểu biết của nhân loại về vũ trụ. Dưới đây là những đóng góp quan trọng nhất của Hubble cho ngành thiên văn:

• Khám phá sự giãn nở của vũ trụ và hằng số Hubble

Nhà thiên văn học Edwin Powell Hubble đã khám phá ra rằng vũ trụ đang giãn nở vào năm 1929, nhưng cho đến nay, con số chính xác của tốc độ giãn nở vũ trụ (được gọi là hằng số Hubble) vẫn là một ẩn số lớn nhất của ngành thiên văn. Hubble đã thực hiện hàng ngàn quan sát các thiên hà xa xăm để tính toán chính xác hằng số Hubble, giúp các nhà khoa học xác định tuổi của vũ trụ chính xác đến khoảng 13,8 tỷ năm – một kết quả được chấp nhận rộng rãi cho đến ngày nay.

• Nghiên cứu quá trình hình thành sao và tinh vân

Hubble có khả năng nhìn xuyên qua các đám mây khí và bụi khổng lồ, giúp các nhà khoa học quan sát trực tiếp quá trình hình thành sao từ giai đoạn đầu đến khi các ngôi sao hoàn toàn hình thành. Qua những hình ảnh chi tiết do Hubble chụp, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng quá trình hình thành sao thường đi kèm với các tia khí phóng ra từ hai cực của ngôi sao đang hình thành, do từ trường cuốn hút khí và bắn ra không gian. Hình ảnh này cũng giúp giải thích tại sao nhiều ngôi sao trẻ có hệ thống hành tinh xung quanh.

• Khám phá lỗ đen siêu khối ở trung tâm các thiên hà

Trước khi Hubble ra đời, các nhà khoa học chỉ có thể suy luận về sự tồn tại của lỗ đen siêu khối ở trung tâm các thiên hà, nhưng không có bằng chứng trực tiếp. Hubble đã chụp được hình ảnh chi tiết của các sao xung quanh trung tâm thiên hà Milky Way, cho thấy chúng đang quay xung quanh một vật thể có khối lượng lên đến 4 triệu lần khối lượng Mặt Trời, không phát ra ánh sáng và chỉ có thể là lỗ đen siêu khối. Kết quả này đã xác nhận sự tồn tại của lỗ đen siêu khối và cho thấy hầu hết các thiên hà lớn đều có lỗ đen siêu khối ở trung tâm.

• Nghiên cứu các thiên hà va chạm và dòng sao

Hubble đã chụp được hàng trăm hình ảnh các thiên hà đang va chạm với nhau, cho thấy quá trình va chạm giữa hai thiên hà sẽ tạo ra các dòng sao dài, vượt ra ngoài biên giới của hai thiên hà. Các dòng sao này được tạo ra khi các sao bị văng ra khỏi thiên hà gốc do lực hấp dẫn của hai thiên hà va chạm, sau đó ổn định vị trí trong không gian vũ trụ. Qua nghiên cứu các dòng sao này, các nhà khoa học đã có thể xác định lịch sử va chạm của các thiên hà và hiểu rõ quá trình phát triển của vũ trụ qua thời gian.

• Khám phá các hành tinh ngoài hệ Mặt Trời

Hubble đã tham gia vào việc khám phá và nghiên cứu hàng trăm hành tinh ngoài hệ Mặt Trời, bằng cách quan sát sự giảm độ sáng của sao chủ khi một hành tinh đi qua mặt sao. Qua những quan sát này, các nhà khoa học đã có thể xác định kích thước, khối lượng và thành phần khí quyển của các hành tinh ngoài hệ Mặt Trời, giúp hiểu rõ hơn về quá trình hình thành hành tinh và khả năng tồn tại sự sống ngoài Trái Đất.

• Khám phá các hiện tượng vũ trụ kỳ lạ

Hubble cũng đã chụp được những hình ảnh đẹp và đáng kinh ngạc nhất của vũ trụ, bao gồm tinh vân Mặt Trăng Cả, thiên hà Andromeda, sao neutron và các vụ nổ siêu tân tinh. Những hình ảnh này không chỉ giúp các nhà khoa học nghiên cứu các hiện tượng vũ trụ, mà còn lan tỏa niềm đam mê về khoa học vũ trụ cho hàng tỷ người trên toàn thế giới.

7. Vai trò của Hubble trong văn hóa và giáo dục

Không chỉ là một đài quan sát thiên văn khoa học, Hubble còn trở thành một biểu tượng của khoa học vũ trụ, lan tỏa niềm đam mê khám phá cho hàng tỷ người trên toàn thế giới. Hình ảnh vũ trụ đẹp mắt do Hubble chụp đã được sử dụng trong hàng ngàn sách giáo khoa, tài liệu giáo dục và chương trình truyền hình, giúp giáo viên và nhà giáo dục giới thiệu kiến thức vũ trụ cho học sinh và sinh viên một cách sinh động và thú vị.

Ngoài ra, Hubble còn là nguồn cảm hứng cho nhiều tác phẩm nghệ thuật, âm nhạc và văn học, giúp truyền tải thông điệp về sự khám phá, sự kiên trì và giá trị của khoa học cho cộng đồng. Nhiều người hâm mộ Hubble cũng tạo ra các trang web, nhóm xã hội và sự kiện để chia sẻ thông tin và kinh nghiệm về đài quan sát này, giúp xây dựng một cộng đồng yêu thích khoa học vũ trụ trên toàn thế giới.

Kết luận

Trong suốt 35 năm hoạt động, kính viễn vọng không gian Hubble đã thay đổi hoàn toàn hiểu biết của nhân loại về vũ trụ, mang lại hàng ngàn khám phá mới và hình ảnh vũ trụ đẹp mắt chưa từng có. Những tin tức mới nhất, từ việc khắc phục lỗi cầu sai quang học đầu tiên đến các quan sát vĩ đại về lỗ đen siêu khối và quá trình hình thành sao, Hubble đã chứng minh rằng sự kiên trì và sự sáng tạo có thể biến một dự án khó khăn thành một thành công vĩ đại.