Kính thiên văn không gian James Webb - viết tắt là JWST (James Webb Space Telescope) hoặc thường gọi là Webb phóng thành công ngày 25/12/2021, đến nay đã mang lại nhiều hình ảnh có giá trị cũng như tiếp tục hứa hẹn sẽ mang lại những khám phá quan trọng chưa từng có trước đây mà không một kính thiên văn nào khác hiện nay có thể làm được.

Điều gì tạo nên khác biệt rõ ràng này và khiến cho JWST trở nên quá đặc biệt? Tôi đã nhận được câu hỏi này nhiều lần từ trước khi chiếc kính này được đưa vào không gian cho tới tận sau khi những hình ảnh đầu tiên của nó được gửi về, và tôi nghĩ đây cũng là một dịp tuyệt vời để người yêu khoa học hiểu hơn một chút về cách mà các nhà thiên văn nhìn vào vũ trụ.

NASA cho biết họ không thích gọi Webb thay thế Huble như cách mà nhiều người vẫn dùng. Họ thích gọi nó là “kế nhiệm”, vì với những nhiệm vụ tương tự Hubble, nhưng nó sẽ đẩy mọi thứ đi xa hơn rất nhiều và ngay cả phương thức cũng khác so với Hubble.

Về mặt kỹ thuật, không tính tới kích thước của gương và độ phân giải của các camera - những thứ đương nhiên phải có chất lượng cao hơn do tốc độ phát triển công nghệ, có hai khác biệt rất quan trọng giữa Webb và Hubble.

Bước sóng

Hubble là kính thiên văn quang học. Nó quan sát chính xác những gì chúng ta nhìn thấy, có nghĩa là dải sóng điện từ có bước sóng tương ứng với ánh sáng biểu kiến. Ngoài ra, dải bước sóng của nó có lấn một chút sang dải tử ngoại và dải hồng ngoại - nhưng không nhiều.

Trong khi đó, James Webb sẽ cho chúng ta một cái nhìn trải dài từ một phần của dải biểu kiến cho tới một phần đáng kể của dải hồng ngoại, từ 0,6 tới 28 micromet. Một cách chính xác thì nó là một kính thiên văn hồng ngoại.

Bạn sẽ không thể “nhìn” được những hình ảnh mà nó nhìn thấy và chụp được. Những hình ảnh mà bạn đã và sẽ thấy với đầy màu sắc sẽ là những hình ảnh đã được xử lý qua những phần mềm trong đó người ta cho các bước sóng hồng ngoại được hiển thị dưới dạng màu sắc mà thôi.

Quan sát ở bước sóng hồng ngoại rất quan trọng. Do sự giãn nở của vũ trụ, ánh sáng biểu kiến và tử ngoại từ những thiên hà ở rất xa bị kéo giãn ra do hiệu ứng Doppler, khiến chúng trở thành bức xạ hồng ngoại.

Và như vậy cần quan sát vũ trụ ở dải sóng này để có cái nhìn chân thực và đầy đủ về vũ trụ, nhất là những giai đoạn sớm của nó. Mặt khác, ngay với việc quan sát các cụm sao và tinh vân trong chính thiên hà của chúng ta, thì bụi cũng chặn hầu hết ánh sáng biểu kiến tới khu vực ẩn sâu bên trong, trong khi bức xạ hồng ngoại (chúng ta vẫn gọi là bức xạ nhiệt) vẫn có thể thoát ra ngoài.

Và như vậy, Webb có thể quan sát được rất nhiều thứ mà Hubble cũng như bất cứ kính thiên văn quang học nào không bao giờ có cơ hội quan sát được.

Quỹ đạo

Hubble được đưa lên quỹ đạo bởi tàu con thoi Discovery. Nó chuyển động trên quỹ đạo quanh Trái đất, cách bề mặt hành tinh khoảng 570km. Trong khi đó Webb được đưa vào điểm L2.

Trong không gian, có những vị trí nơi mà các lực cân bằng nhau để tạo ra quỹ đạo ổn định cho các thiên thể nhỏ và cho chính các vệ tinh nhân tạo của con người được các nhà khoa học gọi là các điểm Lagrange (L).

Trong hai vật thể Trái đất - Mặt trời hay những hệ khác tương tự, luôn có 3 điểm Lagrange nằm trên đường nối của hai thiên thể. Điểm L1 nằm giữa Trái đất và Mặt trời, vị trí này là khoảng 1/100 khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời tính từ Trái đất, tức là cách Trái đất 0,01 AU (khoảng 1,49 triệu km).

Điểm L2 cũng nằm thẳng hàng với hai thiên thể lớn nhưng ở phía bên kia của Trái đất, gần như đối xứng chính xác với L1. Trong trường hợp này, một vật thể ở vị trí L2 nằm xa Mặt trời hơn Trái đất, do đó lẽ ra nó cần có quỹ đạo dài hơn.

Ở khoảng cách vừa đủ, tổng của hai lực hấp dẫn này khiến cho vật thể ở L2 tăng tốc trên quỹ đạo vào chuyển động cùng chu kỳ với Trái đất. Khoảng cách của L2 cũng tương tự như L1, cách Trái đất 0,01 AU.

L3 là điểm đối xứng với Trái đất, nó có quỹ đạo trùng với Trái đất nhưng L3 luôn nằm phía sau Mặt trời nhìn từ Trái đất, việc đó khiến cho không có bất cứ kính thiên văn nào ngày nay có thể quan sát được khu vực đó.

Điểm L2 là nơi James Webb được đưa vào, cách Trái đất khoảng 1,5 triệu km, ở phía bên kia so với Mặt trời. Vì khoảng cách rất xa này, nó cần tới lực đẩy của tên lửa Ariane 5 do châu Âu chế tạo.

Tại điểm L2, James Webb tránh được một phần lớn bức xạ từ Mặt trời, giúp nó không bị nhiễu bởi bức xạ nhiệt từ Mặt trời và thậm chí chính Trái đất. Nhờ một tấm chắn sáng có kích thước tương đương một sân tennis, nó có thể tránh được bức xạ Mặt trời một cách triệt để và giữ được nhiệt độ ở mức -240 độ C. Chỉ có ở nhiệt độ cực thấp này, nó mới không tự phát ra bức xạ nhiệt (tức là tia hồng ngoại) và tự thu được chính nó.

Như vậy có thể thấy rằng về nguyên lý và yêu cầu kỹ thuật, James Webb là chiếc kính phức tạp hơn Hubble rất nhiều, và đó cũng là lý do chính mà các nhà quản lý dự án phải hết sức thận trọng trước khi đưa nó vào bệ phóng.