Khám Phá Công Nghệ Kính Thiên Văn Mới Để Nhìn Thấy Hành Tinh Xa Xôi

Nếu bạn đã từng ngắm nhìn bầu trời đêm và tự hỏi về những hành tinh xa xôi ngoài Hệ Mặt Trời, bạn không đơn độc. Chúng ta chỉ có thể nhận thấy những điểm sáng nhỏ bé mờ nhạt qua kính thiên văn hiện nay, khiến việc hiểu rõ về các hành tinh này trở thành một thách thức lớn.

Để có thể nhìn rõ bề mặt của những hành tinh tương tự như Trái Đất cách hàng chục năm ánh sáng, cần phải có một kính thiên văn với kích thước thật sự ấn tượng. Nhưng kích thước cụ thể đó là bao nhiêu?

Câu trả lời đúng liên quan đến một khái niệm quang học phức tạp mà bất kỳ kỹ sư nào cũng phải ngạc nhiên. Để thu được hình ảnh chỉ với 100 điểm ảnh (10 hàng và 10 cột) từ một hành tinh ở khoảng cách hàng chục năm ánh sáng, chúng ta cần một kính thiên văn có khẩu độ gương lên đến 160 km.

Để có thể so sánh, kính thiên văn James Webb hiện nay có gương chính chỉ rộng 6,5 mét, cho thấy mức độ khác biệt rất lớn này. Việc sử dụng mảng kính thiên văn giao thoa trên Mặt Trăng cũng không khả thi, vì lượng quang tử thu được quá ít và yêu cầu thời gian phơi sáng kéo dài hàng trăm năm.

Vì vậy, nếu tiếp tục chế tạo các gương lớn hơn, chúng ta có thể mãi mãi chỉ phân tích quang phổ của những điểm sáng nhỏ này. Để thực sự nhìn thấy một thế giới khác, các nhà khoa học còn phải thay đổi tư duy về cách nhìn nhận và chiêm ngưỡng vũ trụ.

Giải pháp cho bế tắc này đã được Albert Einstein đề xuất từ một thế kỷ trước. Theo thuyết tương đối tổng quát, khối lượng lớn có thể làm cong không gian – thời gian, khiến ánh sáng đi qua gần nó bị lệch hướng. Điều này đã được minh chứng qua sự kiện nhật thực vào năm 1919 do Arthur Eddington quan sát.

Từ góc độ kỹ thuật, nếu Mặt Trời có khả năng bẻ cong và hội tụ ánh sáng từ một hướng nhất định, thì nó thực sự trở thành một thấu kính khổng lồ với kích thước 1,39 triệu km. Tại những dải sóng nhất định, thấu kính hấp dẫn Mặt Trời có thể tạo ra độ phóng đại ánh sáng lên tới 100 tỷ lần, với độ phân giải góc 10 mũ âm 10 giây cung – vượt xa mọi thiết bị mà con người từng chế tạo.

Để thu được dữ liệu từ các hành tinh, một trong những thách thức lớn là khoảng cách đến tiêu điểm rất xa. Chùm ánh sáng càng gần tâm Mặt Trời sẽ bị bẻ cong mạnh, dẫn đến việc các chùm sáng hội tụ tại những khoảng cách khác nhau, hình thành một đường tiêu cự kéo dài từ 547 đơn vị thiên văn (AU) ra vô tận. Để hình dung, 548 AU cách xa gấp 13 lần quỹ đạo của Sao Diêm Vương. Tàu Voyager 1 đã di chuyển gần nửa thế kỷ nhưng vẫn chưa hoàn thành một phần ba quãng đường này.

Được tài trợ bởi chương trình NIAC của NASA, nhà vật lý Slava Turyshev đã giải quyết thành công các phương trình lượng tử tại vùng tiêu điểm hấp dẫn, biến ý tưởng này thành một lộ trình kỹ thuật khả thi.

Theo nghiên cứu NIAC, ánh sáng từ hành tinh mục tiêu khi đi qua Mặt Trời sẽ bị nén thành một cột ánh sáng có đường kính 1,3 km, tạo hiệu ứng vòng Einstein. Tàu vũ trụ sẽ di chuyển bên trong cột ánh sáng này để thu thập dữ liệu và sử dụng thuật toán máy tính để tái tạo hình ảnh bề mặt của hành tinh.

Với một kính thiên văn lớn trang bị công nghệ kính nhãn quang để dập ánh sáng Mặt Trời, khi quan sát một mục tiêu cách 98 năm ánh sáng trong 6 tháng, hệ thống này có thể tái tạo hình ảnh bề mặt với độ phân giải khoảng 25 km (hoặc 10 km trong điều kiện lý tưởng).

Độ phân giải này cho phép chúng ta nhìn thấy rõ hình dáng của đại dương, lục địa, chỏm băng ở cực và các dãy núi lớn. Kỹ sư Nitin Arora thuộc NASA đã khẳng định chắc chắn rằng công chúng sẽ thấy hồ nước, đại dương và các ngọn đồi trên hành tinh đó.

Tuy nhiên, thách thức lớn nhất vẫn là khoảng cách 548 AU. Tên lửa hóa học truyền thống sẽ mất hàng trăm năm để di chuyển một khoảng cách như vậy. Đề xuất trong giai đoạn 3 của NIAC đã đề xuất sử dụng cánh buồm Mặt Trời: cho tàu vũ trụ lao sát điểm cận nhật rồi mở rộng 16 cánh buồm mỏng, dùng áp suất ánh sáng để tăng tốc độ lên tới 150 km/giây, rút ngắn hành trình xuống chỉ còn vài thập kỷ.

Kế hoạch cũng bao gồm việc sử dụng một đàn vệ tinh nhỏ để giảm chi phí, phóng ghép và phân chia rủi ro. Đàn vệ tinh cho phép quan sát nhiều hành tinh đồng thời và giảm thiểu ảnh hưởng của sự che phủ bởi mây. Turyshev cũng đang tích cực thúc đẩy dự án Sundiver nhằm giảm thời gian bay xuống còn 20 năm.

Khác với phương pháp vi thấu kính hấp dẫn thụ động, vốn chỉ có thể quan sát một cách ngẫu nhiên rồi để mục tiêu biến mất vĩnh viễn, sứ mệnh thấu kính hấp dẫn Mặt Trời là một cuộc thám hiểm chủ động, nhằm cung cấp tốc độ quan sát lâu dài đối với một hành tinh tiềm năng.

Dù còn nhiều thách thức như đòi hỏi độ chính xác định hướng cao gấp 100 lần so với hiện tại, phương pháp bám theo quỹ đạo hành tinh, hoặc loại bỏ nhiễu quầng Mặt Trời, siêu dự án này vẫn mở ra một hướng đi mới trong ngành thiên văn học.

Đề tài này đã được đề xuất lần đầu tiên bởi Claudio Maccone vào năm 1993 nhưng không được chấp nhận. Nay, ý tưởng này đang tiến gần hơn đến thực tế. Chỉ cần một cặp mắt nhân tạo có thể chạm đến khoảng cách 548 AU, câu hỏi về sự sống ngoài Trái Đất sẽ không còn chỉ là lý thuyết xác suất mà trở thành một quan sát thực tế sinh động.