Tìm hiểu về kính viễn vọng không gian Hubble

Kính viễn vọng không gian Hubble, mang tên nhà thiên văn học Mỹ Edwin Powell Hubble lần đầu tiên được phóng lên quỹ đạo Trái đất từ tháng 4/1990.

Kính viễn vọng Hubble là gì?

Kính thiên văn vũ trụ Hubble (tiếng Anh: Hubble Space Telescope, viết tắt HST) là một kính thiên văn của NASA, nặng 12 tấn có kích cỡ tương đương một chiếc xe bus. Nó được đưa lên và hoạt động trên quỹ đạo của Trái đất tại độ cao khoảng 610km, cao hơn khoảng 220km so với độ cao quỹ đạo của trạm vũ trụ quốc tế ISS. Với tốc độ di chuyển khoảng 7500m/s, Hubble có thể quay 1 vòng quanh Trái đất trong thời gian 97 phút và 15 lần mỗi ngày. Kính Hubble mang tên của nhà thiên văn học Mỹ Edwin Powell Hubble (1889-1953), người đã khai sinh ra thuyết vũ trụ giãn nở và những minh chứng đầy đủ nhất cho sự hình thành và phát triển của vũ trụ trong vụ nổ Big Bang.

Đây là kính thiên văn phản xạ được trang bị hệ thống máy tính và một gương thu ánh sáng có đường kính 240cm.

Dù không phải là chiếc kính không gian đầu tiên của con người phóng lên vũ trụ thế nhưng Hubble lại là “mắt thần” lớn nhất và hoạt động mạnh nhất trước khi người anh em kế nhiệm James Webb ra đời. Hubble được đưa lên và hoạt động trên quỹ đạo của trái đất ở độ độ cao trên 610 Km, cao hơn quỹ đạo của trạm không gian quốc tế ISS đến 220km.

Hubble được trang bị đầy đủ các công cụ hoạt động bằng năng lượng Mặt Trời, nhằm chụp lại tất cả những hình ảnh của vũ trụvới ánh sáng khả kiến, cực tím (UV) và ánh sáng bước sóng cận hồng ngoại. Tất nhiên, tất cả các thiết bị trên Hubble đều được thiết kế để hoạt động ngoài khí quyển của Trái đất và nếu đặt Hubble dưới mặt đất, rất nhiều thiết bị sẽ không còn tác dụng nữa.

Kính Hubble nhìn từ tàu con thoi Atlantis.

Lịch sử ra đời

Ngay từ những năm 1940, người ta đã bắt đầu nung nấu ý định về một chiếc kính viễn vọng không gian nhưng mãi đến cuối những năm 1970 thì đó vẫn chỉ là ý tưởng, đề xuất và nhiêu nhất là phác thảo trên bàn giấy. 30 năm đó đã tốn của NASAkhoảng ngân sách khổng lồ (gần 1 tỷ đô la) nên họ yêu cầu các đối tác từ châu Âu cung cấp thêm vốn đề tiếp tục dự án. Đáp lại yêu cầu đó, phía cơ quan hàng không vũ trụ châu Âu (ESA) cung cấp cho NASA một số trang thiết bị đầu tiên của Hubble cùng với những tấm pin năng lượng Mặt Trời. Đổi lại, ESA yêu cầu họ phải được dùng Hubble để quan sát trong ít nhất là 15% thời gian.

Tuy nhiên, quá trình chế tạo Hubble cũng không diễn ra một cách suôn sẻ theo kế hoạch của NASA. Thậm chí quá trình xây dựng cơ sở hạ tầng còn phải hoãn lại vài lần do các vấn đề nảy sinh trong giao kèo. Rồi thì qua bao nỗ lực, cuối cùng vào tháng 4 năm 1990, Hubble đã hoàn thành và chính thức phóng lên quỹ đạo từ Trạm không quân mũi Canaveral, Hoa Kỳ. Tuy nhiên, sau khi lên tới quỹ đạo và chụp được những bức ảnh đầu tiên, các nhà khoa học nhanh chóng nhận ra rằng vì lý do gì đó, tất cả các bức ảnh chụp đều vô cùng mờ nhạt, không giống với những kỳ vọng ban đầu của họ.

Sau thời gian điều tra, cuối cùng họ kết luận rằng thủ phạm chính là khiếm khuyết quang học được biết với tên gọi "cầu sai" (spherical aberration). Đây là hiện tượng các tia sáng đơn sắc song song khi đi qua thấu kính không được khúc xạ đồng hội tụ tại cùng một điểm khiến cho hình ảnh bị mất nét và độ phân giải. Tiến sĩ Robert Arentz tại tập đoàn hàng không vũ trụ Ball Aerospace giải thích: "Nguyên nhân là do các rìa bên ngoài của gương quá phẳng, độ lõm của nó chỉ có 4 micron, ít hơn cả độ dày của một sợi tóc".

Ball Aerospace là hãng cung cấp hầu hết các thiết bị cho Hubble và sau đó, họ chế tạo ra Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement (COSTAR) - bộ gương có thể chuyển động nhằm khắc phục hiện tượng cầu sai của Hubble. Một điều may mắn nữa là người ta đã tính trước đến trường hợp này, Hubble được thiết kế để các phi hành gia có thể sửa chữa và nâng cấp nó ngay trên quỹ đạo. Và nó cũng là chiếc kính viễn vọng không gian duy nhất có thể làm được điều này. Vào tháng 12 năm 1993, các phi hành gia đã tiếp cận và gắn COSTAR vào cho Hubble.

Quá trình đưa COSTAR lên quỹ đạo cũng không phải là điều đơn giản, giám đốc cao cấp tại Ball Aerospace John Troeltzsch hồi tưởng lại rằng: "bạn phải đóng gói nó một cách an toàn trong chiếc hộp kích cỡ tương đương một chiếc điện thoại và chịu được áp lực khi phóng lên bằng tàu con thoi. Tiếp theo đó, các phi hành gia phải đi bộ ngoài không gian, dùng cánh tay robot để lắp COSTAR vào đúng vị trí với độ chính xác lên tới 1/10 mm".

Việc đưa Hubble vào vũ trụ được xem là thành tựu quan trọng về khoa học vũ trụ lớn nhất của con người từ trước tới nay. Sự kiện này được đặt trên bàn cân tương đương với các sự kiện lớn bao gồm: Đưa con người bay vào vũ trụ, đặt chân lên Mặt trăng.

Hoạt động của kính viễn vọng Hubble

Kính viễn vọng Hubble có thể thu nhận ánh sáng từ vật thể cách xa 12 tỉ năm ánh sáng. Nó lần đầu tiên sử dụng công nghệ Multi-Anode Microchannel Array (MAMA) để ghi nhận tia tử ngoại nhưng loại trừ ánh sáng. Nó có sai số trong định hướng nhỏ tương đương với việc chiếu một tia laser đến đúng vào một đồng xu cách đó 320 km và giữ yên như thế.

Ảnh chụp kính thiên văn vũ trụ Hubble.

Hubble mang theo nhiều trang thiết bị khoa học và camera để phân tích dữ liệu và chụp lại những hình ảnh của vũ trụ. Những camera này không thể tự chụp ảnh, tuy nhiên tương tự như camera cần có ống kính thì Hubble cũng cần có gương để hoạt động. Hubble có một chiếc gương chính, đường kính khoảng 2,4 mét và một gương phụ kích thước nhỏ hơn.

Ánh sáng đi từ ngoài vào gặp gương chính sẽ phản xạ đến gương phụ, sau đó ánh sáng tiếp tục được phản xạ trở lại vị trí trung tâm của gương chính, tại đây có một lỗ để ánh sáng lọt qua và dẫn tới các dụng cụ khoa học. Sau đó, camera sẽ ghi lại những gì mà hệ thống gương phản xạ về với 2 màu trắng và đen. Còn tất cả những luồng sáng, màu sắc đầy sặc sỡ mà chúng ta thường nhìn thấy là do NASA và Cơ quan hàng không vũ trụ châu Âu (ESA) tổng hợp 2 hoặc nhiều bức ảnh và bổ sung thêm màu sắc

Việc thiết kế kính này theo dạng mô-đun cho phép các phi hành gia tháo gỡ, thay thế hoặc sửa chữa từng mảng bộ phận dù họ không có chuyên môn sâu về các thiết bị. Trong một lần sửa, độ phân giải của Hubble đã được tăng lên gấp 10.

Những khám phá quan trọng do Hubble mang lại

• Hình ảnh chi tiết của mọi loại tinh vân, đặc biệt là những tinh vân đang phát tán gần các thiên hà xoắn ốc.
• Hình ảnh những thiên hà đang va chạm nhau và những thiên hà quasar.
• Chứng cứ đầu tiên về sự hiện diện của lỗ đen.
• Vị trí chính xác những cơn bão bụi trên Sao Hỏa và thêm chi tiết về bầu khí quyển của hành tinh này
• Chi tiết sự va đập của sao chổi Shoemaker-Levy 9 vào Sao Mộc.
• Chi tiết những cơn bão rộng hàng ngàn km trên Sao Thiên Vương.
• Xác định và tính toán sự giãn nở của vũ trụ.

Cho đến nay, đù đã hơn 30 tuổi và nhiều lần phải tạm ngừng hoạt động để bảo trì, bảo dưỡng, khắc phục các lỗi phần mềm... nhưng sự hiện diện của Hubble đang chứng tỏ cho sự đóng góp không mệt mỏi của mình cho sự nghiệp thiên văn học và truyền cảm hứng cho các thế hệ sau nuôi ước mơ khám phá, nghiên cứu về vũ trụ, thiên hà.

• Vừa hoạt động trở lại, kính viễn vọng không gian Hubble đã chụp được ảnh hai thiên hà va vào nhau
• Kính viễn vọng Hubble quan sát một khí quyển nóng bỏng
• Kính viễn vọng Hubble chụp được bức ảnh sống động, tinh tế về thiên hà gần đó