Tác giả: Xingliang (Đại học Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc)
Bài viết được trích từ tài khoản chính thức của Viện Hàn lâm Khoa học (ID: kexuedayuan)
——
Khi chúng ta bị mắc kẹt trong thành phố và hy vọng tìm thấy sự an ủi ở những vì sao, những gì chúng ta thường thấy là những tòa nhà chọc trời vươn tới bầu trời. Thỉnh thoảng, những vùng trời thông thoáng thường tràn ngập ánh sáng nhiều màu sắc, và ô nhiễm ánh sáng nghiêm trọng bao phủ toàn bộ bầu trời đêm. Nếu thời gian thích hợp, bạn có thể nhìn thấy mặt trăng, nhưng phần lớn thời gian bạn không thể nhìn thấy một ngôi sao nào cả.
Một nơi như vậy chắc chắn không phải là nơi lý tưởng để ngắm sao, và những người đam mê thiên văn học bình thường sẽ tránh xa những nơi như vậy. Nếu bạn muốn xây dựng một đài quan sát mới, chắc chắn bạn sẽ bỏ qua những khu vực đông dân cư (trừ khi bạn cực kỳ giàu có). Có nhiều yếu tố khác cần cân nhắc ngoài việc tránh ô nhiễm ánh sáng đô thị. Chúng ta không chỉ cần đánh giá độ trong suốt của không khí, độ nhiễu loạn khí quyển và độ ổn định của mật độ không khí mà còn cần xem xét điều kiện thời tiết quang đãng hàng năm trong khu vực. Nếu chúng ta tiến hành quan sát vô tuyến, chúng ta cũng cần phải tính đến mức độ nhiễu từ các tín hiệu vô tuyến xung quanh.
Xét đến tất cả những điều trên, các địa điểm xây dựng đài quan sát được lựa chọn ở những vùng xa xôi cách xa thành phố, hoặc trên những ngọn núi cao nơi không ai biết đến hình dáng thực sự của núi Lư, hoặc ở những sa mạc nơi người ta chỉ có thể sống sót bằng cách ngắm hoa mận để giải khát, hoặc ở những vùng cực nơi mặt đất trắng xóa và gió lạnh.
Đài quan sát Nam Âu tại sa mạc Atacama của Chile, "cực khô" của thế giới (Nguồn ảnh: National Geographic)
Vậy, có nơi nào trên Trái Đất tốt nhất để quan sát không? Nếu vậy thì nó ở đâu?
Ice Dome A-bầu trời đầy sao trong vắt!
Gần đây, tạp chí khoa học quốc tế Nature đã công bố nghiên cứu của nhóm do Nhà nghiên cứu Shang Zhaohui từ Đài quan sát thiên văn quốc gia thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đứng đầu. Bằng chứng đã biết cho thấy điểm quan sát thiên văn tốt nhất trên Trái Đất là Dome A trên lục địa Nam Cực.
Vị trí của Dome A ở Nam Cực (Nguồn ảnh: wikipedia.org)
Châu Nam Cực có thể được chia thành Đông Nam Cực và Tây Nam Cực theo vị trí địa lý. Vòm A nằm gần trung tâm Đông Nam Cực. Vòm A đối với Nam Cực cũng giống như đỉnh Everest đối với Trái Đất. Đây là tảng băng cao nhất ở Nam Cực. Lý do tại sao nó được gọi là tảng băng thay vì núi là vì nó không vươn thẳng lên trời như một ngọn núi, mà trông không khác gì mặt đất bằng phẳng. Độ cao của nó là 4.093 mét, nhưng vì toàn bộ lục địa Nam Cực là khu vực có độ cao lớn nên độ cao tương đối của nó chỉ là 1.639 mét.
"Chim cánh cụt" hạ cánh xuống Dome A - xuất phát từ sứ mệnh thám hiểm khoa học Nam Cực lần thứ 35 của Trung Quốc (Nguồn ảnh: Xinhua News Agency)
Đối với những người bình thường như chúng ta, việc muốn tận mắt nhìn thấy bầu trời đầy sao ở đây quả thực là điều không tưởng. Bởi vì chỉ riêng Nam Cực đã quá xa chúng ta, chưa kể Dome A còn đi sâu vào bên trong Nam Cực hơn 1.200 km, tương đương với khoảng cách từ Bắc Kinh đến Thượng Hải bằng ô tô. Đồng thời, bầu khí quyển loãng ở độ cao lớn cũng sẽ khiến bạn phải rút lui và bạn sẽ bị thiếu oxy nếu không cẩn thận. Ngoài ra, hãy lưu ý rằng cái lạnh ở đây thực sự đáng sợ. Nhiệt độ mùa hè vào khoảng -40 độ C. Mỗi mùa đông, nhiệt độ tại Mái vòm A thường xuống dưới -80 độ C, thậm chí có nơi nhiệt độ xuống tới -98 độ C (vẫn còn nhiều tranh cãi trong cộng đồng học thuật về mức nhiệt độ thấp này). Ngoại trừ một số phòng thí nghiệm do con người tạo ra, đây gần như là nơi lạnh nhất trên trái đất. Thị trấn lạnh nhất trong lịch sử loài người là Oymyakon ở đông bắc Siberia, Nga, với nhiệt độ tối thiểu là -71 độ C, thấp hơn nhiệt độ trung bình của Mái vòm A vào mùa đông.
Thị trấn lạnh nhất để con người có thể sinh tồn - Oymyakon (Nguồn ảnh: Daily Headlines)
Do đó, ba yếu tố chính là khoảng cách, độ cao và nhiệt độ (và có lẽ là yếu tố thứ tư: vài tỷ đô la) có nghĩa là môi trường quan sát tốt của Mái vòm A chỉ có thể được một số ít người chứng kiến. Thật tự hào khi nơi tuyệt vời này được người Trung Quốc chúng tôi lần đầu tiên ghé thăm. Mười lăm năm trước, vào năm 2005, các thành viên trong đoàn thám hiểm khoa học Nam Cực của đất nước tôi đã đi được 1.228 km từ Trạm Trung Sơn đến Mái vòm A.
Vậy thì bầu trời đầy sao trong xanh ở đây ở đâu?
Điều này đòi hỏi phải xem xét một chỉ số đo lường quan trọng - thị giác!
Tại sao đại bác không thể bắn trúng các vì sao?
Tôi sẽ giữ bí mật về những chi tiết hiện tại và chúng ta hãy cùng xem một câu đố trí tuệ – tại sao một khẩu pháo không thể bắn trúng các vì sao? Chúng ta đừng nói về việc một viên đạn đại bác không thể bắn trúng các ngôi sao vì tốc độ của nó không thể đạt tới tốc độ vũ trụ thứ hai. Cố gắng giải những câu đố như thế chỉ khiến bạn tức giận đến chết thôi. Tôi tin rằng mọi người đều quen thuộc với câu trả lời: đó là vì các ngôi sao "chớp sáng".
Tuy nhiên, các ngôi sao có thể làm được nhiều hơn là chỉ nhấp nháy. Trái đất có bầu khí quyển, bầu khí quyển này dần mỏng hơn từ trong ra ngoài. Để chúng ta có thể bắt được ánh sáng của các ngôi sao ở xa, ánh sáng đó phải đi qua các môi trường không khí có mật độ khác nhau. Định luật khúc xạ cho chúng ta biết rằng ánh sáng sẽ bị lệch hướng khi đi qua. Vấn đề là bầu khí quyển không giống như một tấm thép. Không khí có nhiệt độ không đồng đều sẽ gây ra nhiều nhiễu loạn khác nhau, trong các nhiễu loạn lớn có những nhiễu loạn nhỏ, làm không khí khuấy động như hồ dán, và hồ dán này liên tục thay đổi. Nếu chúng ta so sánh bầu trời đầy sao không bị "ô nhiễm" bởi khí quyển với video 4K 120 khung hình, thì những gì chúng ta thấy trong điều kiện bình thường là hình ảnh 480p 30 khung hình rất tệ.
Theo cách này, các ngôi sao không chỉ "nhấp nháy" mà còn "mờ đi", và kết quả nhìn thấy qua kính thiên văn của chúng ta sẽ tương tự như hình ảnh bên dưới.
Đây là bức ảnh phơi sáng lâu của một ngôi sao, cho thấy sự thay đổi vị trí của ngôi sao trong trường nhìn của kính viễn vọng theo thời gian. Chúng ta cũng có thể thấy các ngôi sao trong thị kính của kính thiên văn nghiệp dư đang rung chuyển. Có lẽ là do chân máy của bạn không ổn định. Đã đến lúc nâng cấp chân máy của bạn. (Nguồn hình ảnh: mục Wikipedia - Seeing)
So sánh Sao Mộc được quan sát từ cùng một kính thiên văn ở các điều kiện quan sát khác nhau. Có thể thấy rằng trong điều kiện không tốt ở bên phải, chỉ có thể nhìn thấy mơ hồ các sọc, còn Đốm Đỏ Lớn gần như vô hình (Nguồn ảnh: britastro.org)
Đúng, điều này không liên quan gì đến giá của kính thiên văn. Cho dù gương có đắt tiền hay chính xác đến đâu thì hình ảnh vẫn sẽ bị mờ. Chúng ta đo lường sự mơ hồ này bằng khả năng nhìn. Định nghĩa khoa học về thị giác là một đại lượng vật lý mô tả mức độ các mục tiêu quan sát thiên văn bị mờ và nhấp nháy do ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển. Thông thường nó được thể hiện bằng độ. Góc càng nhỏ thì điều kiện quan sát càng tốt và chúng ta có thể tự nhiên nhìn thấy bầu trời đầy sao rõ nét hơn. Nói một cách chính xác, việc nghiên cứu thị giác nằm trong phạm vi nghiên cứu của khoa học khí quyển. Các nhà nghiên cứu thiên văn học thường chỉ đo giá trị số và hiếm khi xây dựng các mô hình khí tượng để phân tích cụ thể.
Học sinh có hiểu biết nhất định về khái niệm độ phân giải sẽ biết rằng khẩu độ của kính thiên văn càng lớn thì độ phân giải càng cao, khả năng phân biệt hai vật thể ở gần nhau ở khoảng cách xa càng tốt và hình ảnh chúng ta nhìn thấy càng rõ nét.
Công thức phân giải của kính thiên văn, λ là bước sóng ánh sáng, ánh sáng khả kiến thường nằm trong khoảng 300-800 nm, D là đường kính của kính thiên văn và θ là góc phân giải tối thiểu mà kính thiên văn có thể nhìn thấy.
Với phép tính này, về mặt lý thuyết, những kính thiên văn lớn này có thể đạt được độ phân giải miligiây cung (1 độ = 3600 giây cung), nhưng do ảnh hưởng của bầu khí quyển, độ phân giải lý thuyết không phải lúc nào cũng đạt được. Hiện nay, những chiếc kính thiên văn tốt nhất thế giới tập trung ở những địa điểm tuyệt vời tại Hawaii và miền bắc Chile, nơi tầm nhìn thường đạt 0,6-0,8 giây cung, thật không may là hiệu suất của chính chiếc kính thiên văn này lại kém xa.
Khi gặp phải vấn đề khó khăn như vậy, chúng ta thường có hai lựa chọn. Một là đi vào không gian như kính viễn vọng Hubble. Thật không may, du hành vũ trụ rất phức tạp và tốn kém. Nếu nhạc cụ có vấn đề gì thì việc sửa chữa sẽ rất khó khăn. Nếu không, tại sao Kính viễn vọng James Webb vẫn chưa được phóng vào vũ trụ? Một cách tiếp cận khác là sử dụng quang học thích ứng trên mặt đất để cố gắng bù đắp cho các lỗi do nhiễu động khí quyển gây ra. Tuy nhiên, công nghệ này, được áp dụng vào thiên văn học từ những năm 1990, chỉ có thể bù đắp chứ không thể loại bỏ hoàn toàn sai số, nên việc tiếp tục nhiệm vụ khám phá những điểm quan sát tốt nhất trên Trái Đất là hợp lý.
Trên thực tế, khái niệm nhìn thấy không hề xa lạ với chúng ta và những người đam mê thiên văn học thường xuyên phải đối mặt với nó. Chỉ cần bạn tải xuống ứng dụng như Sunny Day Clock, bạn sẽ tìm thấy cột độ nhìn. Vòng tròn càng nhỏ thì giá trị nhìn thấy càng nhỏ và hiệu quả quan sát càng tốt.
Thông tin về Trạm Miyun của Đài quan sát thiên văn quốc gia được hiển thị bằng phần mềm
Cuộc điều tra đằng sau hậu trường
Nam Cực là một nơi biệt lập với rất ít dấu hiệu hoạt động của con người. Nơi đây có độ cao lớn và ít ô nhiễm ánh sáng. Chỉ cần giải quyết được vấn đề vận hành thiết bị trong điều kiện giá lạnh khắc nghiệt thì đây tự nhiên là địa điểm tốt để xây dựng đài quan sát thiên văn. Trong điều kiện vĩ độ cao, sử dụng cảnh đêm vùng cực độc đáo, chúng ta có thể theo dõi một số khu vực trên bầu trời mà chúng ta quan tâm liên tục trong 24 giờ.
Lần này, quá trình thăm dò Dome A phát hiện ra rằng tầm nhìn thấp nhất tại nơi này có thể đạt tới 0,13 giây cung, và tầm nhìn trung bình đo được bằng phép đo dài hạn là 0,31 giây cung, tốt hơn nhiều so với lựa chọn địa điểm trước đây của chúng tôi. Trước khi có kết quả tối ưu của Dome A, dữ liệu quan sát của Dome C đã ở vị trí tương đối dẫn đầu, với giá trị trung bình khoảng 0,23-0,26 giây cung.
Trên thực tế, cộng đồng học thuật đã suy đoán từ lâu rằng Dome A sẽ là địa điểm quan sát tốt nhất trên Trái Đất. Từ năm 2005, các đoàn thám hiểm khoa học của nước tôi đã đặt chân đến khu vực này, hoàn thành khảo sát Vòm A và chuẩn bị xây dựng một trạm tại đây. Năm 2009, chúng tôi thành lập trạm nghiên cứu khoa học Nam Cực thứ ba - Trạm Côn Lôn. Đây cũng là trạm nghiên cứu khoa học Nam Cực nội địa đầu tiên ở Trung Quốc và nằm ở đỉnh của toàn bộ Nam Cực. Các đoàn thám hiểm khoa học sau đó bắt đầu thiết lập các thiết bị quan sát tại đây.
Kết quả quan sát lần này trên Dome A vẫn dựa vào công trình do đoàn thám hiểm khoa học lần thứ 35 thực hiện vào năm 2019. Nhà nghiên cứu Shang Zhaohui phụ trách thiên văn học và đã triển khai kính thiên văn Côn Lôn mới (tên đầy đủ: Kunlun Differential Image Motion Monitor, viết tắt là KL-DIMM trong tiếng Anh). Nhiệm vụ chính của kính thiên văn Côn Lôn là đo độ tĩnh lặng khi quan sát, cho phép chúng ta đánh giá định lượng các đặc điểm của đài quan sát Trạm Côn Lôn nằm tại Mái vòm A.
Điều thú vị là nó không được cố định trực tiếp xuống đất mà được đặt trên một tòa tháp cao 8 m. Điều này là do độ dày của lớp ranh giới khí quyển ở đây thấp, chỉ khoảng 13,9 m. Chỉ cần ở trên độ cao này, bạn có thể tránh được sự nhiễu loạn của mặt đất và có được điều kiện quan sát cực kỳ tuyệt vời. Đồng thời, việc xây dựng tòa tháp cũng vô cùng khéo léo. Ở tốc độ gió 8 m/s, độ rung lắc của sàn trên cùng có thể nhỏ hơn 3 mm. Các ngôi sao được quan sát sẽ bị giới hạn chặt chẽ trong tầm nhìn của chúng ta và sẽ không còn "lóe sáng" nữa.
Một cặp kính thiên văn và tháp Kunlun (Nguồn ảnh: Shang Zhaohui)
Giống như khi chúng ta xây các khối, xếp càng cao thì càng dễ đổ. Tòa tháp của chúng tôi khó có thể giữ ổn định ở độ cao 14 m, nhưng so với mái vòm C bên cạnh thì dễ hơn nhiều. Độ dày của lớp ranh giới tại Vòm C là khoảng 30 m. Để đạt được hiệu ứng quan sát tương tự ở đây, chúng ta cần xây một tòa tháp ổn định cao hơn 30 mét. Nhiệm vụ này vừa tốn thời gian vừa tốn kém.
Trước đây, chúng tôi luôn tin rằng Dome A là nơi lý tưởng để ngắm sao, nhưng vẫn chưa có đủ dữ liệu để chứng minh những lợi thế cụ thể của nó. Dữ liệu quan sát được tích lũy lần này, kết hợp với nhiều thiết bị quan sát khí tượng hoạt động cùng nhau ở gần đó, đã cho chúng ta đủ lý do để tin rằng Dome A là tốt nhất và chúng ta sẽ sớm xây dựng được một kính thiên văn ở đó.
Trạm thời tiết tự động nhiều lớp đi kèm KLAWS-2G (bên trái) và hai thiết bị theo dõi mây và cực quang KLCAM (được chỉ bằng mũi tên bên phải) (Nguồn ảnh: Shang Zhaohui)
Một chút viễn cảnh
Trên thực tế, việc lắp đặt gương ở Nam Cực thuận tiện hơn nhiều so với việc lắp đặt trong không gian, nhưng ngay cả khi thuận tiện cho việc bảo trì sau này thì việc để con người đồn trú ở đó trong thời gian dài ở nhiệt độ thấp như vậy cũng là không thực tế. Do đó, khi xây dựng một kính thiên văn mới ở Nam Cực, đặc biệt là trên Dome A, chúng ta phải đảm bảo độ ổn định tốt để kính có thể thích ứng với hoạt động ở nhiệt độ cực thấp và cho phép chúng ta điều khiển thiết bị đầu cuối để quan sát tại nhà.
Trên thực tế, đó chính là điều chúng tôi đang làm hiện nay. Kính thiên văn Côn Lôn không yêu cầu bất kỳ ai phải túc trực tại chỗ để vận hành. Nó được thiết kế để hoạt động trong điều kiện âm 80 độ C. Về nguồn điện, chúng ta không cần phải lo lắng. Nam Cực cực kỳ lạnh và ánh sáng mặt trời rất yếu. Sử dụng tấm pin mặt trời rất tốn kém và phiền phức, và năng lượng có thể không đáp ứng đủ nhu cầu. Vì vậy, chúng tôi chỉ cần đặt một hộp đựng đầy pin bên cạnh kính thiên văn, rất tiện lợi và ổn định. Một chiếc vali có thể sử dụng được trong một năm. Dù sao thì hàng năm vẫn có các chuyến thám hiểm khoa học. Khi đến thời điểm, bạn chỉ cần đến đây để thay pin. Sẽ không mất quá nhiều thời gian đâu.
Công trình thiên văn tại Trạm Côn Lôn (Nguồn ảnh: Đài quan sát thiên văn quốc gia)
Nếu chúng ta phân công ai đó canh gác ở đây, nguồn cung sẽ là một vấn đề, và sẽ rất nhàm chán khi bị bao quanh bởi băng giá và tuyết cả ngày. Suy cho cùng, không ai muốn phải chịu đựng cái lạnh quanh năm. Tự động hóa toàn bộ quá trình không phải sẽ tốt hơn sao?
Trên thực tế, Dome A không chỉ phù hợp với kính thiên văn quang học khả kiến mà khí hậu cực kỳ khô ráo và môi trường điện từ sạch cũng khiến nơi đây đặc biệt phù hợp với kính thiên văn vô tuyến. Các phép đo môi trường trong băng tần terahertz sẽ cho phép các kính viễn vọng vô tuyến tại đây quan sát được nhiều băng tần điện từ hơn...
Tóm lại, đây là một vùng đất quý giá và chắc chắn sẽ đóng góp cho các dự án thiên văn trong nước của chúng ta trong tương lai.
Tài liệu tham khảo:
[1] Ma, B., Shang, Z., Hu, Y. và cộng sự. Đo đạc thiên văn ban đêm tại Dome A ở Nam Cực. Thiên nhiên 583, 771–774 (2020).
[2] VÒM A – NƠI LẠNH NHẤT TRÊN TRÁI ĐẤT http://suo.im/5DBxbx
[3] Các nhà thiên văn học Trung Quốc xác nhận rằng Dome A ở Nam Cực là đài quan sát thiên văn quang học trên mặt đất tốt nhất - Quỹ khoa học quốc gia Trung Quốc - http://suo.im/5DBxaJ
[4] Quan sát thiên văn—Wikipedia http://suo.im/5w5jIu
[5] Scambos, TA; Campbell, GG; Đức Giáo Hoàng, A.; Haran, T.; Muto, A.; Lazzara, M.; Reijmer, CH; Van Den Broeke, MR (2018)
