Kính thiên văn không gian Roman đã được phát triển trong khoảng một thập kỷ dưới sự lãnh đạo của NASA và dự kiến được phóng vào lúc 7h26 sáng EDT ngày 30 tháng 8 năm 2026 (tức 18h26 ngày hôm đó theo giờ Việt Nam). Kính thiên văn này được đặt theo tên Nancy Grace Roman, người được coi là kiến trúc sư của chương trình khoa học hiện đại của NASA và đã cống hiến cho sự thành công của dự án Kính thiên văn không gian Hubble.
Điểm đến của Roman là điểm Lagrange L2, một vị trí cụ thể cách Trái Đất 1,5 triệu kilomet (930.000 dặm), nằm trên trục nối Mặt Trời và Trái Đất, về phía Trái Đất quay lưng lại với Mặt Trời. Tại điểm này, các lực hấp dẫn của các thiên thể cân bằng nhau, cho phép Roman có quỹ đạo quanh Mặt Trời mà không cần lực đẩy.
Một phiên bản của Hệ thống Căn chỉnh Chính xác do Viện Thiên văn học Max Planck phát triển, giữ cố định một loạt kính lọc màu. Ánh sáng từ phía đối diện bị chặn bởi những kính lọc trông có màu tối. Tuy nhiên, ánh sáng hồng ngoại truyền qua những kính lọc có màu đỏ nhạt. Nguồn: Chris Gunn/NASA JPL
Chụp ảnh các hành tinh quanh những ngôi sao xa xôi
Gương chính của kính thiên văn không gian Roman có đường kính 2,4 mét (7,9 feet) và là bản sao của gương trên kính thiên văn không gian Hubble. Nó mang theo hai thiết bị khoa học: Wide Field Instrument (thiết bị trường rộng) có diện tích bộ dò lớn gấp khoảng 100 lần Hubble và chỉ trong 5 năm sẽ chụp ảnh một vùng bầu trời lớn gấp 50 lần vùng mà Hubble đã chụp trong hơn 30 năm. Cùng với kính thiên văn không gian Euclid đang hoạt động trên quỹ đạo, Roman sẽ bắt đầu truy tìm vật chất tối, vốn phân bố rộng khắp vũ trụ.
Nhờ độ phân giải hình ảnh và độ nhạy cao của thiết bị trường rộng này, các nhà nghiên cứu cũng dự định khảo sát những khu vực rộng lớn trên bầu trời để tìm các hành tinh lạnh hơn, vốn không dễ phát hiện như những hành tinh khí khổng lồ nóng và sáng. Họ sẽ sử dụng hai phương pháp: với phương pháp được gọi là quá cảnh, họ đặt mục tiêu phát hiện khoảng 100.000 hành tinh mới khi chúng đi qua phía trước sao chủ và làm ánh sáng của sao giảm đi một lượng rất nhỏ nhưng có thể đo được. Bằng một phương pháp khác dựa trên hiệu ứng được gọi là vi thấu kính hấp dẫn, họ hy vọng tìm thấy thêm 1.000 ngoại hành tinh. Cả hai phương pháp đều chỉ phát hiện gián tiếp những thế giới xa xôi.
Thiết bị thứ hai, Coronagraph Instrument (CGI - dịch dễ hiểu là một tấm chắn nhật hoa), được sử dụng để trực tiếp chụp ảnh và nghiên cứu những ngoại hành tinh đã được phát hiện bằng các phương pháp khác. Các thiết bị coronagraph sử dụng những mặt nạ đặc biệt để chặn ánh sáng của sao chủ sáng, qua đó làm lộ ra các thiên thể mờ hơn, chẳng hạn một hành tinh có quỹ đạo gần quanh ngôi sao đó. Những hệ hành tinh xa xôi này ở cách chúng ta xa đến mức các hành tinh trong ảnh chỉ xuất hiện dưới dạng những chấm nhỏ bên cạnh sao chủ, vốn bị tấm chắn này che khuất.
Các kỹ sư đang kiểm tra đường truyền quang học của CGI, một trong hai thiết bị trên kính Roman, trong điều kiện phòng sạch. Ánh sáng từ kính thiên văn sẽ được dẫn vào tấm chắn này để chụp ảnh những hành tinh tương đối mờ dưới dạng các chấm nhỏ bên cạnh sao chủ sáng hơn chúng rất nhiều. Nguồn: Chris Gunn/NASA JPL
Với các tấm chắn nhật hoa trước đây trên kính thiên văn mặt đất, điều này chỉ khả thi đối với những hành tinh khí khổng lồ đặc biệt sáng nằm ở khoảng cách lớn hơn so với sao trung tâm của chúng - những hành tinh nóng đến mức phát ra ánh sáng hồng ngoại và do đó có thể được chụp bằng camera hồng ngoại. Tuy nhiên, với CGI, các nhà nghiên cứu đặc biệt hướng tới việc chụp ảnh những ngoại hành tinh lạnh hơn và nhỏ hơn, chẳng hạn như Sao Mộc, vốn chủ yếu phản xạ ánh sáng từ sao chủ.
Nhìn từ Trái Đất, những hành tinh mà Roman hướng tới chụp ảnh mờ hơn sao chủ của chúng một tỷ lần. Mức này gần tương ứng với chênh lệch độ sáng giữa Sao Mộc và Mặt Trời. CGI được thiết kế để chụp ngoại hành tinh dưới dạng nguồn điểm mờ hơn khoảng một nghìn lần so với giới hạn kỹ thuật có thể đạt được cho tới nay.
Để làm được điều này, tất cả các thành phần quang học phải được căn chỉnh với nhau cực kỳ chính xác. Viện Thiên văn học Max Planck tại Heidelberg đã chế tạo các thành phần quang-cơ chuyên dụng cho mục đích này, tạo thành "hệ thống cơ cấu căn chỉnh chính xác" (Precision Alignment Mechanisms, viết tắt là PAM). Nếu hệ này chứng minh được hiệu quả, trong tương lai nó có thể được sử dụng để chụp ảnh những hành tinh đá thậm chí nhỏ hơn và mờ hơn, chẳng hạn như Trái Đất, có quỹ đạo quanh những ngôi sao khác.
Một trong sáu mô hình bay của PAM dành cho CGI, một camera trên kính thiên văn không gian Nancy Grace Roman. Các PAM định vị và ổn định những thành phần quang học của CGI trong quá trình quan sát. Nguồn: O. Krause/MPIA
Viện Thiên văn học Max Planck cung cấp các thành phần quang-cơ chủ chốt
Viện Thiên văn học Max Planck đã cung cấp sáu mô hình bay của cơ cấu định vị - tức các thành phần được lắp đặt cố định trong tấm chắn nhật hoa và sẽ được phóng vào không gian. Sáu mô hình kỹ thuật khác của PAM được sử dụng để thử nghiệm trên mặt đất. Các PAM đóng vai trò thiết yếu trong việc đạt được độ chính xác cực cao của hệ quang học cần thiết để chụp ảnh những hành tinh có quỹ đạo quanh các sao trong những hệ sao xa xôi.
Chúng bảo đảm rằng các mặt nạ của tấm chắn, cũng như các kính lọc và gương, nghiêng không quá 40 mili-giây cung trong khoảng thời gian tám giờ (một độ góc/cung tương đương với 3,6 triệu mili-giây). Mức này tương ứng với độ lớn của góc mà một người quan sát từ Heidelberg nhìn một người ở Los Angeles (khoảng cách giữa hai nơi này là hơn 9.000 km).
Các nhà thiết kế và kỹ sư tại viện ở Heidelberg đã thiết kế các module PAM, sau đó chế tạo và thử nghiệm chúng tại chính các xưởng và phòng thí nghiệm của viện. Công ty von Hoerner & Sulger tại Schwetzingen, Đức, hỗ trợ quá trình chế tạo.
"Khi các bộ phận riêng lẻ của mô hình bay nằm trước mặt tôi, tôi thực sự nhận ra rằng mình đang cầm trên tay những thành phần sẽ bay vào không gian và khám phá nó," Monica Ebert nói. Tại Viện Thiên văn học Max Planck ở Heidelberg, bà phụ trách thiết kế và lắp ráp hệ thống ổn định có ý nghĩa thiết yếu đối với nhiệm vụ dành cho hệ quang học của thiết bị. "Quá trình lắp ráp đòi hỏi sự tập trung cao độ."
Trong số 12 phiên bản của hệ PAM còn có một mô hình được gọi là mô hình tuổi thọ. Mô hình này được thử nghiệm về khả năng chịu tải lâu dài và thực hiện hơn 27.000 chuyển động trong quá trình thử nghiệm. Con số này gần tương đương với mức tải gấp đôi mà một mô hình bay phải chịu. Thông qua những thử nghiệm như vậy, các nhóm giảm thiểu những lỗi và vấn đề tiềm tàng đối với cơ cấu được lắp đặt trên kính Roman. Sau khi được phóng, kính thiên văn này không thể được tiếp cận và sửa chữa như từng thực hiện được với Hubble.
"CGI trên kính thiên văn không gian Roman là thiết bị quan sát quang học tinh vi nhất từng được sử dụng để nghiên cứu trong không gian," Oliver Krause, trưởng nhóm nghiên cứu thiên văn học hồng ngoại tại Viện Thiên văn học Max Planck, cho biết. Nếu những thử nghiệm ban đầu trong không gian thành công, CGI sẽ được cung cấp cho các nhà thiên văn để nghiên cứu ngoại hành tinh.
Hệ quang học trong không gian tự hiệu chỉnh theo thời gian thực
Để CGI có thể trực tiếp chụp ảnh những ngoại hành tinh nhỏ hơn và lạnh hơn, có quỹ đạo gần sao chủ hơn bất kỳ ngoại hành tinh nào từng được quan sát trước đây, cần đạt được độ tương phản độ sáng giữa sao và hành tinh lớn hơn mức có thể đạt được cho tới nay. Vì vậy, thách thức là triệt tiêu các giả ảnh và nhiễu loạn quang học vốn từ lâu chi phối những hình ảnh thu được từ tấm chắn nhật hoa.
Để làm được điều này, các kỹ sư dựa vào quang học thích nghi. Công nghệ này thường được sử dụng trong các kính thiên văn trên Trái Đất. Chẳng hạn, đài quan sát ELT (Kính thiên văn Cực Lớn) hiện đang được xây dựng sẽ thay đổi hình dạng của một trong các gương một nghìn lần mỗi giây để loại bỏ sự dao động của hình ảnh bầu trời sao - hiện tượng có thể quan sát ngay bằng mắt thường dưới dạng sự lấp lánh của các ngôi sao.
Mặc dù trong không gian không có không khí làm biến dạng hình ảnh của kính thiên văn Roman, bản thân hệ quang học bên trong kính vẫn chịu các hiệu ứng gây biến dạng. Những hiệu ứng này được triệt tiêu bằng một gương nhỏ có thể biến dạng theo thời gian thực. Điều này đòi hỏi năng lực tính toán rất lớn - một tài nguyên có giới hạn trên một vệ tinh. Vì vậy, việc giải quyết vấn đề này tự nó đã được coi là một thách thức.
"Để trong tương lai có thể tìm thấy và nghiên cứu một Trái Đất thứ hai, chúng ta sẽ cần một tấm chắn nhật hoa mạnh tích hợp toàn bộ mức độ phức tạp của CGI," Krause nói. "Về mặt công nghệ, CGI là một cột mốc trên con đường đó." Tuy nhiên, điều này cũng đòi hỏi một kính thiên văn có độ phân giải hình ảnh cao hơn đáng kể, chẳng hạn như HWO (Đài quan sát các thế giới sống được), với những thiết kế ban đầu đề xuất một gương có đường kính ít nhất 6 mét (20 feet).
Sẵn sàng cho dữ liệu từ không gian
Sau khi hoạt động bắt đầu, Viện Thiên văn học Max Planck sẽ tiếp tục tham gia phát triển phần mềm phân tích dữ liệu kỹ thuật và khoa học của kính Roman, đồng thời hỗ trợ lập kế hoạch và chuẩn bị các quan sát. Bản thân các phép đo được điều phối bởi một ủy ban của NASA có tên Community Participation Program, với nhóm nòng cốt cũng bao gồm Krause.
Ngay sau khi phóng, các thành viên của ủy ban - làm việc tại Mỹ, Nhật Bản và châu Âu - sẽ từng bước đưa kính thiên văn vào hoạt động. Để làm điều này, họ sẽ liên tục phân tích dữ liệu mà kính thiên văn gửi về Trái Đất trong hành trình tới điểm đến.
Tổng cộng, quá trình đưa vào vận hành sẽ kéo dài 90 ngày - gần bằng khoảng thời gian kính thiên văn không gian Roman cần để tới điểm Lagrange L2. Những hình ảnh khoa học đầu tiên được dự kiến vào đầu năm 2027. Tuy nhiên, bản thân một số chương trình quan sát sẽ mất nhiều năm để hoàn thành, chẳng hạn khảo sát mặt phẳng của thiên hà Milky Way nhằm tìm kiếm những hành tinh và lỗ đen chưa từng được biết đến.
Bryan
Theo Phys.org
