Hàng chục kính thiên văn không gian hoạt động gần Trái Đất đã cung cấp cho chúng ta những hình ảnh đáng kinh ngạc về vũ trụ. Vậy thì, hãy tưởng tượng một kính thiên văn ở rất xa trong vùng ngoài của Hệ Mặt Trời, cách xa Mặt Trời gấp 10 hoặc thậm chí 100 lần so với Trái Đất, sẽ có khả năng đến như thế nào khi nó nhìn lại Hệ Mặt Trời của chúng ta, hoặc nhìn vào bóng tối của vũ trụ xa xôi. Đây sẽ là một công cụ khoa học mạnh mẽ độc nhất vô nhị.
Tôi là một nhà vật lý thiên văn, người nghiên cứu sự hình thành các cấu trúc trong vũ trụ. Kể từ những năm 1960, các nhà khoa học như tôi đã xem xét những câu hỏi khoa học quan trọng, mà chúng ta có thể trả lời bằng một kính thiên văn đặt tại vùng ngoài Hệ Mặt Trời. Vậy một nhiệm vụ như vậy sẽ như thế nào? Và khoa học có thể thực hiện những gì?
Một kính thiên văn nhỏ xa nhà
Sức mạnh khoa học của một kính thiên văn ở xa Trái Đất, sẽ chủ yếu đến từ vị trí của nó chứ không phải từ kích thước của nó. Các kế hoạch cho một kính thiên văn vùng ngoài Hệ Mặt Trời sẽ đặt nó ở đâu đó bên ngoài quỹ đạo của Sao Thổ, cách Trái Đất khoảng 1,6 tỷ km hoặc hơn.
Chúng ta chỉ cần gửi một kính thiên văn rất nhỏ — với một thấu kính có kích thước chỉ gần bằng một chiếc đĩa ăn nhỏ — để đạt được một số hiểu biết vật lý thiên văn thực sự độc đáo. Một kính thiên văn như vậy có thể được chế tạo để chỉ nặng dưới 9 kg và có thể được chở đi trong hầu hết mọi sứ mệnh tới Sao Thổ hoặc xa hơn nữa. Mặc dù nhỏ và đơn giản so với các kính thiên văn như Hubble hay James Webb, nhưng một thiết bị hoạt động cách xa ánh sáng Mặt Trời như vậy có thể thực hiện được các phép đo mà từ một vị trí thuận lợi gần Trái Đất sẽ khó khăn hoặc hoàn toàn không thể thực hiện được.
Nhìn vào Hệ Mặt Trời từ bên ngoài
Thật không may cho các nhà thiên văn học, việc tự chụp ảnh Hệ Mặt Trời là một thách thức. Nhưng việc có thể nhìn thấy Hệ Mặt Trời từ một vị trí thuận lợi bên ngoài sẽ tiết lộ rất nhiều thông tin, đặc biệt là về hình dạng, sự phân bố và thành phần của đám mây bụi bao quanh Mặt Trời. Hãy tưởng tượng một ngọn đèn đường vào một buổi tối đầy sương mù — bằng cách đứng xa khỏi ngọn đèn, những làn sương xoáy có thể được nhìn thấy theo cách mà người đứng ngay dưới đèn đường sẽ không bao giờ có thể nhìn thấy được.
Trong nhiều năm, các nhà vật lý thiên văn đã có thể chụp ảnh và nghiên cứu đĩa bụi của các hệ sao khác trong Milky Way. Nhưng những sao này ở rất xa, và những gì các nhà thiên văn học có thể tìm hiểu về chúng đều có giới hạn. Sử dụng các quan sát về Mặt Trời, các nhà thiên văn học có thể so sánh hình dạng, đặc điểm và thành phần những đám mây bụi trong các hệ xa xôi này với dữ liệu chi tiết về Hệ Mặt Trời chúng ta. Dữ liệu này sẽ lấp đầy những lỗ hổng trong kiến thức về các đám mây bụi Mặt Trời và giúp chúng ta có thể hiểu được lịch sử hình thành, phát triển và phá hủy của đĩa bụi trong các hệ sao khác mà không cần phải đi đến tận nơi.
Bóng tối sâu thẳm của không gian
Một lợi ích khác của việc đặt kính thiên văn xa Mặt Trời là bị ít ánh sáng phản xạ. Đĩa bụi trong mặt phẳng của các hành tinh phản chiếu ánh sáng Mặt Trời trở lại Trái Đất. Điều này tạo ra một đám mây mù sáng hơn từ 100 đến 1.000 lần so với ánh sáng từ các thiên hà khác và che khuất tầm nhìn vào vũ trụ. Việc gửi một kính thiên văn ra phía ngoài đám mây bụi này sẽ đặt nó vào một vùng không gian tối hơn nhiều, giúp đo ánh sáng đến từ bên ngoài Hệ Mặt Trời dễ dàng hơn.
Khi đó, kính thiên văn có thể đo độ sáng của ánh sáng xung quanh trong vũ trụ trên một dải bước sóng rộng. Điều này sẽ cung cấp thông tin chi tiết về cách mà vật chất bồi tụ thành những ngôi sao và các thiên hà đầu tiên. Nó cũng cho phép các nhà nghiên cứu kiểm tra được các mô hình của vũ trụ bằng cách so sánh tổng lượng ánh sáng được dự đoán từ tất cả các thiên hà với một phép đo thực nghiệm chính xác. Sự chênh lệch có thể chỉ ra các vấn đề của các mô hình hoặc có thể mang lại các hiểu biết mới.
Nhìn vào cái chưa biết
Cuối cùng, việc tăng khoảng cách của kính thiên văn với Mặt Trời cũng sẽ cho phép các nhà thiên văn học thực hiện một phương pháp khoa học độc đáo, tận dụng hiệu ứng thấu kính hấp dẫn, theo đó một vật thể lớn làm biến dạng đường đi của ánh sáng khi nó di chuyển qua phía trước một vật thể khác.
Một công dụng của thấu kính hấp dẫn là tìm kiếm và đo khối lượng của các hành tinh lang thang — những hành tinh đi lang thang trong không gian liên sao sau khi bị đẩy ra khỏi hệ sao của chúng. Vì các hành tinh lang thang không tự phát ra ánh sáng nên các nhà vật lý thiên văn có thể tìm kiếm hiệu ứng của chúng đối với ánh sáng từ các sao nền. Để phân biệt giữa khoảng cách của vật thể thấu kính và khối lượng của nó, ngoài quan sát từ Trái Đất, chúng ta cần thêm quan sát từ một vị trí thứ hai cách xa Trái Đất.
Năm 2011, các nhà khoa học đã sử dụng một máy ảnh trong sứ mệnh EPOXI tới vành đai tiểu hành tinh để khám phá và đo khối lượng một vật thể có kích thước bằng Sao Hải Vương, trôi nổi trong không gian liên sao của thiên hà Milky Way. Chỉ một vài hành tinh lang thang đã được tìm thấy, nhưng các nhà thiên văn học nghi ngờ rằng, chúng rất phổ biến và có thể nắm giữ manh mối về sự hình thành của các hệ hành tinh và sự phổ biến của các hành tinh xung quanh các ngôi sao.
Nhưng có lẽ cách sử dụng thú vị nhất đối với kính thiên văn ở vùng ngoài Hệ Mặt Trời là khả năng sử dụng trường hấp dẫn của chính Mặt Trời như một thấu kính khổng lồ. Loại phép đo này có thể cho phép các nhà vật lý thiên văn thậm chí còn lập được bản đồ bề mặt của các hành tinh trong các hệ sao khác. Có lẽ một ngày nào đó chúng ta sẽ có thể đặt tên cho các lục địa trên một hành tinh giống như Trái Đất trong một hệ sao xa xôi.
Sắp có hay chưa?
Kể từ khi Pioneer 10 trở thành vật thể nhân tạo đầu tiên đi qua quỹ đạo của Sao Mộc vào năm 1973, chỉ có một số ít các nghiên cứu vật lý thiên văn được thực hiện từ bên ngoài quỹ đạo Trái Đất. Các nhiệm vụ vùng ngoài Hệ Mặt Trời lại càng hiếm, nhưng nhiều nhóm các nhà khoa học đang thực hiện các nghiên cứu để chỉ ra cách thức hoạt động của một dự án kính thiên văn vùng ngoài Hệ Mặt Trời và những hiểu biết có thể có được từ dự án này.
Cứ khoảng 10 năm một lần, những chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực vật lý thiên văn và thiên văn học lại tập hợp để đặt ra các mục tiêu cho thập kỷ tiếp theo. Kế hoạch cho những năm 2020 dự kiến được công bố vào ngày 4 tháng 11 năm 2021. Trong đó, tôi mong đợi được xem các cuộc thảo luận về thế hệ kính thiên văn tiếp theo có thể cách mạng hóa thiên văn học. Việc đưa kính thiên văn đến vùng ngoài Hệ Mặt Trời tuy đầy tham vọng, nhưng nằm trong khả năng công nghệ của NASA hoặc các cơ quan vũ trụ khác. Tôi hy vọng rằng một ngày không xa, một chiếc kính thiên văn nhỏ bé đang thực hiện sứ mệnh cô độc trong vùng tối của Hệ Mặt Trời, sẽ cung cấp cho chúng ta những hiểu biết đáng kinh ngạc về vũ trụ.
Minh Phương
Dịch từ bài của Michael Zemcov trên The Conversation
