Bức ảnh kỷ niệm 10 năm kính thiên văn Spitzer. Nguồn: NASA
Việc phóng kính thiên văn vào không gian chưa bao giờ là điều dễ dàng. Gần đây, NASA một lần nữa thông báo hoãn lại việc phóng Kính viễn vọng Không gian James Webb. Tiền thân của Webb, Kính viễn vọng không gian Spitzer (SST), đã trải qua nhiều bước ngoặt từ đề xuất ý tưởng ban đầu, phê duyệt, xây dựng và phóng. Thiết kế đã được sửa đổi nhiều lần và mất hơn 30 năm.
Trong kế hoạch ban đầu, Kính viễn vọng Không gian Spitzer đầu tiên được gọi là "Kính viễn vọng Hồng ngoại trên tàu vũ trụ" (SIRTF, S=Shuttle), và sau đó đổi tên thành "Kính viễn vọng Hồng ngoại Không gian" (SIRTF, S=Space). Tên chính thức của nó là "Spitzer" cho đến trước khi phóng.
Việc đổi tên Kính viễn vọng không gian Spitzer phản ánh trực tiếp lịch sử đằng sau nó. Trong bản thảo thiết kế đầu tiên vào năm 1971, người ta dự định đặt nó làm một phần tải trọng trên tàu vũ trụ vừa mới xuất hiện vào thời điểm đó. Trong 12 năm tiếp theo, Trung tâm nghiên cứu Ames và các hãng hàng không thương mại đã thiết kế và phát triển dựa trên kính viễn vọng không gian 1 mét gắn trên tàu vũ trụ.
Năm 1983 là năm đánh dấu bước ngoặt của Kính thiên văn Spitzer. NASA đã đưa ra lời kêu gọi cung cấp thiết bị và cuối cùng đã chọn được ba nhóm, do Giovanni Fazio, Jim Houck và George Rieke dẫn đầu. Ba nhóm này sau đó đã phát triển các thiết bị đầu cuối cuối cùng: máy quang phổ hồng ngoại gần IRAC, máy quang phổ hồng ngoại giữa IRS và máy quang phổ hồng ngoại giữa MIPS. SIRTF đã thành lập nhóm khoa học đầu tiên, phần lớn trong số họ vẫn tiếp tục theo dõi dự án cho đến khi kính viễn vọng Spitzer được phóng lên vũ trụ 20 năm sau đó. Do nhiều sự cố và chậm trễ, thiết kế của kính thiên văn Spitzer cũng đã thay đổi, từ thiết bị ban đầu gắn trên không gian thành một thành viên của "Dự án kính thiên văn không gian lớn" của NASA. Với việc phát minh và hiện thực hóa máy bay tự hành ở độ cao lớn (100.000 km), Kính viễn vọng Spitzer đã được thiết kế lại thành một kính viễn vọng hồng ngoại không gian khổng lồ ngâm trong môi trường lạnh, và "Shuttle" trong tên của nó đã được đổi thành "Space".
Cuộc họp đầu tiên của Nhóm công tác khoa học về kính viễn vọng Spitzer (khi đó gọi là SIRTF) được tổ chức tại Viện Ames vào năm 1984. Hàng sau, từ trái sang: George Newton (quản lý dự án NASA), Dan Gezari (Trung tâm Goddard của NASA), Ned Wright, Michael Jura (UCLA), Michael Werner, Fred Witteborn (Viện Ames). Hàng trước, từ trái sang: Giovanni Fazio (Trung tâm Vật lý thiên văn Smithsonian), George Rieke (Đại học Arizona), Nancy Boggess (Nhà khoa học dự án của NASA), Jim Houck (Đại học Cornell), Frank Low (Đại học Arizona), Terry Herter (Đại học Cornell). Bản quyền: Michael Werner
Tuy nhiên, SIRTF, dự kiến ban đầu ra mắt vào năm 1991, đã bị hủy bỏ vào phút cuối. Nguyên nhân chủ yếu là do tác động của kính viễn vọng Hubble (gương chính của kính viễn vọng Hubble gặp vấn đề về lấy nét ngay khi được phóng vào không gian và sau nhiều hoạt động ngoài tàu vũ trụ của các phi hành gia, nhiệm vụ bảo trì đã hoàn thành vào năm 1994). Vào thời điểm này, Johnny Kwok, một kỹ sư dự án tại Phòng thí nghiệm Động cơ Phản lực của NASA, đã đề xuất vào năm 1992 thay đổi quỹ đạo từ quỹ đạo Trái Đất ở độ cao ban đầu sang quỹ đạo Mặt Trời. Điều này không chỉ giúp tránh được sự can thiệp của nhiệt phát ra từ trái đất vào các thiết bị hồng ngoại mà còn đảm bảo rằng các tấm pin mặt trời của kính thiên văn có góc ánh sáng mặt trời cố định, do đó cải thiện độ ổn định nhiệt của thiết bị.
Không chỉ vậy, thiết kế quỹ đạo mặt trời còn tăng phạm vi quan sát của kính thiên văn, cho phép quan sát được 40% thiên cầu mọi lúc, tạo điều kiện cho việc phơi sáng lâu dài nhiều lần trong không gian sâu thẳm. Độ phơi sáng sâu hơn cho phép quan sát vũ trụ mờ hơn và xa hơn, đồng thời việc quan sát nhiều lần cùng một khu vực bầu trời cũng tạo điều kiện thuận lợi cho các quan sát thiên văn liên quan đến miền thời gian. Khi đề xuất cập nhật quỹ đạo này được đưa ra, nó ngay lập tức nhận được sự ủng hộ rộng rãi từ cộng đồng thiên văn học.
Sau đó, tại một cuộc họp năm 1993, sau những cuộc thảo luận sôi nổi, các nhà thiên văn học đã quyết định thay đổi thiết kế "to lớn và hoàn chỉnh" ban đầu thành thiết kế "nhỏ và tinh tế", chỉ giữ lại những thiết bị quan trọng nhất để giải quyết những vấn đề khoa học cấp bách nhất. Theo nguyên tắc này, và trên tiền đề là kích thước của kính thiên văn vẫn không thay đổi, thiết kế ban đầu là nhúng hoàn toàn kính thiên văn vào heli lỏng đã được thay đổi thành một kế hoạch mới là phóng kính thiên văn ở nhiệt độ phòng rồi làm mát bằng heli lỏng sau khi đạt đến quỹ đạo không gian, giúp tiết kiệm đáng kể việc sử dụng heli lỏng và tải trọng phóng. Trong thiết kế mới, tất cả các thiết bị đầu cuối đều được cố định chắc chắn, chỉ để lại một bộ phận dụng cụ cần di chuyển (gương quét của MIPS). Cố gắng đảm bảo sự thành công của kính thiên văn với ít biến số nhất.
Ảnh thực tế của kính thiên văn được lắp ráp trong phòng thí nghiệm sạch. Tín dụng: NASA/SSC
Thiết kế của toàn bộ phần cứng về cơ bản đã hoàn thành vào năm 1996. Huang Jiasheng, một nhà nghiên cứu tại Đài quan sát thiên văn quốc gia, đã tham gia vào quá trình gỡ lỗi thiết bị IRAC trước khi Kính viễn vọng không gian Spitzer được phóng vào cuối những năm 1990 và đầu những năm 2000. Ông đã kể lại một giai thoại. Thiết bị IRAC trong phòng thí nghiệm ban đầu được trang bị một màn trập giống như máy ảnh thông thường để ước tính chính xác thời gian phơi sáng và cũng để đo nền trong điều kiện phòng tối. Kết quả xét nghiệm của phòng thí nghiệm rất tốt. Tuy nhiên, ngay sau khi thiết bị IRAC được lắp vào kính thiên văn, một sự cố bất ngờ đã xảy ra trong quá trình thử nghiệm và màn trập dừng lại ở vị trí đóng. Nếu điều này xảy ra sau khi phóng, điều đó có nghĩa là "chết trước khi hoàn thành", điều này sẽ trực tiếp tuyên bố rằng thiết bị không thể hoạt động bình thường. Nhóm IRAC rất lo lắng và đã triệu tập khẩn cấp 10 kỹ sư để tìm hiểu nguyên nhân. Cuối cùng họ phát hiện ra rằng sự cố màn trập là do từ tính của thanh kim loại và họ đã giải quyết vấn đề bằng cách đảo ngược hướng dòng điện. Mặc dù vậy, ở giai đoạn cuối của vụ phóng, sau khi đánh giá các rủi ro, NASA đã quyết định không sử dụng màn trập và để IRAC "mở" vào không gian để ngăn ngừa thêm các rủi ro có thể xảy ra.
Về phần mềm, Trung tâm xử lý và phân tích hồng ngoại (IPAC) của Viện Công nghệ California đã thành lập riêng Trung tâm khoa học kính viễn vọng không gian Spitzer cho mục đích này, chịu trách nhiệm xử lý và phân tích dữ liệu, đồng thời chấp nhận các đơn xin dự án quan sát từ khắp nơi trên thế giới. Vấn đề nền tương ứng với màn trập ở trên được ước tính và loại bỏ thông qua xử lý dữ liệu sau. Tương tự như vậy, một tai nạn đã xảy ra với thiết bị IRS của kính viễn vọng Spitzer trước khi nó được phóng vào không gian. Một vết nứt nhỏ xuất hiện trên bộ lọc và các sọc nhiễu xạ tạo ra sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng dữ liệu quan sát. Nhưng thời điểm ra mắt đã cận kề và đã quá muộn để thay bộ lọc mới. Tất cả những gì chúng tôi có thể làm là cầu nguyện rằng lực đẩy trong lúc phóng sẽ không làm vết nứt rộng hơn. May mắn thay, quá trình phóng và đi vào quỹ đạo diễn ra suôn sẻ và các vết nứt không thay đổi. Ở giai đoạn xử lý dữ liệu sau này, nhân viên mặt đất đã loại bỏ hiệu quả ảnh hưởng của yếu tố nhiễu xạ này trên quang phổ bằng cách giải phương trình vân nhiễu xạ.
Trong quá trình trình diễn lặp đi lặp lại, đối thủ cạnh tranh của SIRTF vào thời điểm đó, đài quan sát không gian hồng ngoại ISO lớp 60 cm của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA), đã được phóng vào năm 1995 và ngừng hoạt động vào năm 1998. ISO cung cấp thông tin hình ảnh và quang phổ ở bước sóng hồng ngoại trung bình và xa lần lượt là 2,4 μm-240 μm và 25 μm-197 μm. Mặc dù gương cuối cùng của kính thiên văn Spitzer chỉ có 85 cm, dường như không phải là cải tiến lớn, nhưng nhờ sự phát triển nhanh chóng về công nghệ từ thiết kế hệ thống thu đến hệ thống điều khiển trong cùng thời kỳ, kính thiên văn Spitzer đã cải thiện độ nhạy phát hiện, hiệu quả và độ chính xác hơn gấp nhiều lần so với thiết kế ban đầu. Chỉ xét riêng về tốc độ quan sát thực tế, tốc độ tăng từ năm 1986 đến năm 2003 đã lên tới hơn 1.000 lần. Do đó, trong số các kính viễn vọng hồng ngoại không gian cùng thời kỳ, mặc dù kính viễn vọng Spitzer được phát triển trước rồi mới được sản xuất, nhưng những khám phá khoa học của nó, đặc biệt là trong vũ trụ học thiên hà, đã vượt xa các đối thủ cạnh tranh và thậm chí vượt qua cả trí tưởng tượng khi nó mới được thiết kế. Ngay cả các nhà thiên văn học liên quan đến Kính viễn vọng Spitzer cũng thường nói: "Hãy thư giãn, Định luật Moore sẽ giúp bạn giải quyết hầu hết các vấn đề" khi sau đó họ đề cập đến 30 năm chờ đợi và kiên trì.
Những thay đổi về thiết kế mà kính thiên văn Spitzer trải qua từ đầu những năm 1990 cho đến lần ra mắt cuối cùng chủ yếu được phản ánh ở kích thước của thiết bị. Tuổi thọ dự kiến và kích thước của kính thiên văn về cơ bản vẫn không thay đổi, nhưng ngân sách và trọng lượng của thiết bị đã giảm đáng kể. Nguồn: Werner/Michael/Eisenhardt/Peter/More Things in the Heavens (Princeton Press)
Mặc dù khi thiết kế, kính thiên văn Spitzer nhấn mạnh vào tính "nhỏ và chính xác", nhưng nhờ khả năng quan sát hồng ngoại mạnh mẽ, phạm vi khoa học bao phủ là vô tận, từ hệ mặt trời, sự hình thành hành tinh và các ngoại hành tinh cho đến các ngôi sao và tinh vân, thiên hà và vũ trụ học, trực tiếp đưa sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ lên một tầm cao mới. Nó đo chính xác hơn các biến quang Cepheid trong Đám mây Lúa mạch Lớn và tốc độ giãn nở của vũ trụ; hợp tác với HST, họ đã phát hiện ra khối lượng và tuổi của các thiên hà trong vũ trụ sơ khai trong giai đoạn tái ion hóa (650 triệu năm sau Vụ nổ lớn); bằng cách phát hiện nhiệt độ và bức xạ của bụi, nó đã ghi lại lịch sử hình thành sao khi vũ trụ già đi, và phát hiện ra rằng vũ trụ của chúng ta đã đạt đến đỉnh cao phát triển (hình thành sao) 3 tỷ năm sau Vụ nổ lớn (độ dịch chuyển đỏ 2-3), và đã có xu hướng giảm trong 10 tỷ năm tiếp theo; nó phát hiện ra rằng có nhiều cụm thiên hà tồn tại trong vũ trụ sơ khai, điều này rất quan trọng đối với sự hiểu biết của chúng ta về cấu trúc và sự tiến hóa trên quy mô lớn của vũ trụ; Ngoài ra, kính viễn vọng Spitzer còn phát hiện ra một số lượng lớn các nhân thiên hà hoạt động giàu bụi, đại diện cho các lỗ đen siêu lớn ở trung tâm các thiên hà đang điên cuồng hấp thụ vật chất xung quanh, phần lớn trong số đó rất khó nhìn thấy bằng mắt thường do bị bụi che khuất.
Trong Ngân Hà, Kính viễn vọng Spitzer đã quan sát sự hình thành của các ngôi sao trẻ trong các đám mây và phát hiện dấu vết hình thành hành tinh và đĩa tiền hành tinh xung quanh các sao lùn nâu. Trong số này, có thể có những ngoại hành tinh gần Trái Đất nhất. Trong suốt quá trình hoạt động, và đặc biệt là trong hơn 10 năm hoạt động ở "chế độ nhiệt", Kính viễn vọng Spitzer tập trung vào việc xác định và quan sát các tiểu hành tinh gần Trái Đất, sao chổi trong hệ mặt trời và các hệ hành tinh bên ngoài hệ mặt trời. Nổi tiếng nhất trong số này là phát hiện về hệ thống Trappist-1, có bảy hành tinh có kích thước bằng Trái Đất. Trong số các hệ hành tinh ngoài hệ mặt trời này, nhiều hệ rất giống với hệ mặt trời của chúng ta. Một mặt, điều này chứng minh rằng hệ mặt trời của chúng ta không có gì đặc biệt về mặt cấu trúc và thành phần; Mặt khác, nó cũng cung cấp một định hướng để khám phá các dạng sống có thể có và môi trường sống có thể có bên ngoài trái đất.
Hình ảnh nghệ thuật về hệ thống TRAPPIST-1 được phát hiện bởi Kính viễn vọng Spitzer cho thấy một ngôi sao lùn đỏ cực lạnh, TRAPPIST-1, cách Trái đất khoảng 40 năm ánh sáng, được bao quanh bởi bảy hành tinh có kích thước bằng Trái đất. Khi khoảng cách từ ngôi sao tăng lên, nước sẽ bốc hơi do nhiệt độ quá cao (thể hiện dưới dạng hơi nước trong hình) hoặc ngưng tụ thành băng do quá lạnh. Ở khoảng cách trung gian thích hợp, nước có thể tồn tại ở dạng lỏng. Phạm vi này được coi là phù hợp cho sự sống và được gọi là "vùng có thể sinh sống". Bản quyền / NASA / JPL-Caltech / R.Hurt (IPAC)
Kính viễn vọng Spitzer ban đầu được dự kiến hoạt động trong năm năm, nhưng chất làm lạnh được thiết kế chỉ hoạt động trong 2,5 năm. Trên thực tế, so với thiết kế súp heli lỏng ban đầu, quá trình bay hơi của heli lỏng do làm nóng dụng cụ và nhiệt độ tăng tự nhiên được kiểm soát tốt. Kính thiên văn Spitzer đã hoạt động tổng cộng 6 năm ở "chế độ lạnh" với nhiệt độ thấp cần thiết để hoạt động (5 Kelvin, -268 độ C). Sau khi chất làm lạnh được sử dụng hết, kính viễn vọng Spitzer vẫn tiếp tục hoạt động ở "chế độ nhiệt" trong hơn 10 năm bằng cách sử dụng bức xạ của chính thiết bị để làm mát. Khi tiếng ồn tăng lên do nhiệt độ hệ thống tăng, hệ thống sẽ chuyển sang "chế độ nóng" và IRS và MIPS ngừng hoạt động. Các IRAC 3,6 micron và 4,5 micron còn lại vẫn hoạt động mạnh mẽ trong nhiều năm cho đến ngày 31 tháng 1 năm 2020, khi chúng chính thức ngừng hoạt động sau khi cạn kiệt nguồn tài trợ. Họ đã ở trên quỹ đạo tổng cộng 16 năm 4 tháng, vượt xa thời gian hoạt động 5 năm theo thiết kế ban đầu.
——Trích từ tạp chí Thiên văn học quốc gia Trung Quốc số tháng 11 năm 2021
Về Tác giả/
Dai Yu là nhà nghiên cứu tại Đài quan sát thiên văn quốc gia Trung Quốc. Hướng nghiên cứu của ông là quan sát đa băng tần về sự hình thành và tiến hóa của các thiên hà.
Số tháng 11 của "Thiên văn học quốc gia Trung Quốc"
Biên tập viên/Huaichen Huan
Thiên văn học quốc gia Trung Quốc
Thiên văn học quốc gia Trung Quốc
ID WeChat: chineseastronomy
Tạp chí "Thiên văn học quốc gia Trung Quốc" được Đài quan sát thiên văn quốc gia tài trợ.
Tạp chí này hướng đến công chúng, cung cấp nội dung thiên văn học và đời sống văn hóa mang tính khoa học, văn hóa, nghệ thuật và sưu tầm.
