Kính thiên văn không gian James Webb (JWST) được dự kiến phóng lên quỹ đạo vào tháng 12 năm 2021. Nó mang sứ mệnh tìm kiếm những ánh sáng đầu tiên từng xuất hiện trong vũ trụ.
Một số người ví JWST của NASA như “kính thiên văn ăn thiên văn học”. Là kính thiên văn không gian mạnh nhất từng được chế tạo, đồng thời là một mô hình origami cơ khí tinh vi (origami: nghệ thuật gấp giấy có nguồn gốc từ Nhật Bản), nó đã đẩy xa giới hạn của kỹ thuật loài người. Vào ngày 18 tháng 12 năm 2021, sau nhiều năm trì hoãn và tốn chi phí chế tạo hơn hàng tỷ đô la, kính thiên văn này dự kiến sẽ được phóng lên quỹ đạo và mở ra kỷ nguyên tiếp theo cho thiên văn học.
Tôi là một nhà thiên văn chuyên môn về vũ trụ học quan sát – Tôi đã nghiên cứu các thiên hà ở xa trong 30 năm nay. Một số trong các câu hỏi lớn nhất chưa được giải đáp về vũ trụ liên quan tới những năm đầu của nó ngay sau khi Big Bang xảy ra. Các sao và thiên hà đầu tiên đã hình thành từ lúc nào? Cái nào có trước và tại sao? Tôi cực kỳ hào hứng khi các nhà thiên văn có thể sớm khám phá ra câu chuyện về việc các thiên hà đã bắt đầu như thế nào vì James Webb rõ ràng đã được thiết kế để trả lời những câu hỏi này.
Thời kỳ tối của vũ trụ
Có bằng chứng tuyệt vời cho thấy vũ trụ đã bắt đầu bằng một sự kiện được gọi là vụ nổ Big Bang cách đây 13,8 tỷ năm khiến nó ở một trạng thái siêu đặc và siêu nóng. Ngay lập tức vũ trụ bắt đầu giãn nở sau khi Big Bang xảy ra và nguội dần đi như vậy. Một giây sau Big Bang, vũ trụ mở rộng hàng trăm nghìn tỷ dặm với nhiệt độ trung bình cực kỳ cao là 18 tỷ độ F (10 tỷ độ C). Khoảng 400.000 năm sau Big Bang, vũ trụ có đường kính là 10 triệu năm ánh sáng và nhiệt độ đã nguội xuống còn 5.500 độ F (tức 3.000 độ C). Nếu bất cứ ai từng ở đó và nhìn thấy nó vào thời điểm này sẽ thấy vũ trụ phát sáng màu đỏ mờ như một ngọn đèn nhiệt khổng lồ.
Trong suốt thời gian này, không gian chứa đầy một hỗn hợp nhuyễn gồm các hạt năng lượng cao, bức xạ, hydro và heli. Không có cấu trúc lớn nào cả. Khi vũ trụ giãn nở lớn hơn và nguội hơn, hỗn hợp này loãng ra và mọi thứ mờ dần thành màu đen. Đây là sự khởi đầu của cái mà các nhà thiên văn gọi là “thời kỳ tối” của vũ trụ.
Hỗn hợp này của Thời kỳ tối không hoàn toàn đồng nhất và do tác động của lực hấp dẫn nên các vùng khí nhỏ bắt đầu gom tụ lại với nhau và trở nên dày đặc hơn. Vũ trụ từ trơn nhẵn lúc này trở nên lổn nhổn và những đám khí nhỏ đặc hơn này là những hạt giống mà cuối cùng tạo thành các sao, thiên hà và mọi thứ khác trong vũ trụ.
Mặc dù không có gì để nhìn thấy, nhưng thời kỳ tối là một giai đoạn quan trọng trong quá trình tiến hóa của vũ trụ.
Tìm kiếm ánh sáng đầu tiên
Thời kỳ tối kết thúc khi lực hấp dẫn dẫn tới sự hình thành các sao và thiên hà đầu tiên và từ đó bắt đầu phát ra những tia sáng đầu tiên. Mặc dù các nhà thiên văn không biết khi nào ánh sáng đầu tiên xuất hiện, nhưng phỏng đoán tốt nhất là vài trăm triệu năm sau vụ nổ Big Bang. Các nhà thiên văn cũng không biết liệu sao hay thiên hà mới là thứ hình thành đầu tiên.
Các lý thuyết hiện tại dựa trên cách lực hấp dẫn tạo nên các cấu trúc trong một vũ trụ mà vật chất tối chiếm ưu thế cho thấy rằng các thiên thể nhỏ – như các sao và cụm sao – có thể hình thành đầu tiên và sau đó phát triển thành các thiên hà lùn rồi tới các thiên hà lớn hơn như thiên hà Milky Way. So với các sao ngày nay thì những sao đầu tiên trong vũ trụ là các thiên thể hoạt động rất mãnh liệt. Chúng sáng hơn gấp một triệu lần nhưng có vòng đời rất ngắn ngủi. Chúng cháy nóng, sáng và khi chết sụp đổ thành lỗ đen có khối lượng lên tới một trăm lần khối lượng Mặt Trời. Các sao này có lẽ đóng vai trò như các hạt giống cho sự tạo thành thiên hà.
Các nhà thiên văn rất thích nghiên cứu giai đoạn hấp dẫn và quan trọng này của vũ trụ, nhưng việc phát hiện thấy ánh sáng đầu tiên là vô cùng khó khăn. So với các thiên hà sáng có khối lượng lớn ngày nay thì các thiên thể đầu tiên có kích thước rất nhỏ và do sự giãn nở không ngừng của vũ trụ nên chúng hiện cách xa Trái Đất hàng chục tỷ năm ánh sáng. Ngoài ra, các sao đầu tiên được bao quanh bởi khí còn sót lại từ quá trình hình thành của chúng và khí này hoạt động giống như sương mù hấp thụ hầu hết ánh sáng. Phải mất vài trăm triệu năm để bức xạ thổi bay sương mù. Ánh sáng sơ khai này rất mờ nhạt vào thời điểm nó tới Trái Đất.
Nhưng đó không phải là thách thức duy nhất.
Khi vũ trụ giãn nở, nó liên tục kéo dài bước sóng của ánh sáng truyền qua nó. Đây được gọi là dịch chuyển đỏ vì nó chuyển ánh sáng có bước sóng ngắn hơn – như ánh sáng xanh hoặc trắng – thành ánh sáng có bước sóng dài hơn như ánh sáng đỏ hoặc hồng ngoại. Mặc dù không hoàn toàn tương tự, nhưng nó giống như khi một chiếc ô tô chạy qua bạn, cường độ của bất kỳ âm thanh nào mà chiếc ô tô tạo ra đều giảm xuống đáng kể.
Trước khi ánh sáng do một ngôi sao hoặc thiên hà sơ khai phát ra cách đây 13 tỷ năm được bất kỳ kính thiên văn nào trên Trái Đất phát hiện thì nó đã bị kéo giãn ra gấp 10 lần do sự giãn nở của vũ trụ. Ánh sáng này tới dưới dạng ánh sáng hồng ngoại, có nghĩa là nó có bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sáng đỏ. Để thấy được ánh sáng đầu tiên, bạn phải tìm kiếm ánh sáng hồng ngoại.
Kính thiên văn như một cỗ máy thời gian
Kính thiên văn giống như cỗ máy thời gian. Nếu một thiên thể cách Trái Đất 10.000 năm ánh sáng thì điều đó có nghĩa là ánh sáng phải mất 10.000 năm để tới được Trái Đất. Do đó, càng nhìn xa ra ngoài không gian thì chúng ta càng nhìn sâu vào quá khứ.
Các kỹ sư cải tiến kính James Webb nhằm mục đích phát hiện ánh sáng hồng ngoại mờ nhạt của các sao hoặc thiên hà sơ khai nhất. So với kính thiên văn không gian Hubble thì James Webb sở hữu máy ảnh có trường nhìn rộng hơn 15 lần, thu thập nhiều ánh sáng hơn gấp sáu lần và các cảm biến của nó được điều chỉnh để trờ nên nhạy nhất với ánh sáng hồng ngoại.
Chiến lược sẽ là nghiên cứu chi tiết một vùng trời trong một thời gian dài để thu thập ánh sáng và thông tin từ các thiên hà ở xa nhất và già nhất có thể. Với dữ liệu này, có thể trả lời được thời điểm và cách mà thời kỳ tối kết thúc, nhưng vẫn còn rất nhiều khám phá quan trọng khác cần được thực hiện. Chẳng hạn, việc làm sáng tỏ câu chuyện này cũng có thể giúp giải thích bản chất của vật chất tối, dạng vật chất bí ẩn chiếm khoảng 80% vật chất của vũ trụ.
James Webb là sứ mệnh khó khăn nhất về mặt kỹ thuật mà NASA đã từng nỗ lực thực hiện. Nhưng tôi nghĩ rằng những câu hỏi khoa học mà nó có thể giúp trả lời sẽ xứng đáng với từng chút nỗ lực. Tôi và các nhà thiên văn khác đang hào hứng chờ đợi dữ liệu bắt đầu quay trở về vào năm 2022.
Hồng Anh
Dịch từ bài của Chris Impey trên The Conversation
