Lĩnh vực nghiên cứu ngoại hành tinh đã đạt được rất nhiều tiến bộ trong những thập kỷ gần đây. Cho tới nay, đã có 5.063 ngoại hành tinh được xác nhận thuộc 3.794 hệ sao ngoài Hệ Mặt Trời của chúng ta cùng với 8.819 ứng viên khác đang chờ xác minh. Trong những năm tới, dự kiến sẽ có thêm hàng chục nghìn hành tinh khác được tìm thấy nhờ các đài quan sát thế hệ mới. Mục tiêu quan trọng nhất trong cuộc tìm kiếm này là xác định xem liệu có những hành tinh nào “tương tự Trái Đất” hay không, nghĩa là có sự sống phát triển ở đó hay không. Tuy nhiên, đây không phải là nhiệm vụ dễ dàng vì các hành tinh có cấu tạo từ đá nằm trong vùng sống được (HZ) của sao chủ có xu hướng chuyển động trên quỹ đạo gần nó khiến chúng khó được phát hiện hơn.
Để làm cho việc tìm kiếm này trở nên dễ dàng hơn, NASA đang thiết kế một đài quan sát phức hợp gồm có một “starshade” (một tấm chắn có hình dạng giống như một bông hoa trong không gian) dùng để chặn ánh sáng phát ra từ ngôi sao nhằm giúp cho kính thiên văn trên mặt đất có thể chụp ảnh trực tiếp các hành tinh chuyển động quanh ngôi sao này. Khái niệm này được biết tới với tên gọi Đài quan sát Phức hợp Các ngoại hành tinh tương tự Trái Đất (HOEE) và NASA đang chờ đợi ý tưởng từ mọi người để biến điều này thành hiện thực. Vì thế, NASA đã khởi động dự án Thử thách Thiết kế Cấu trúc Starshade Siêu nhẹ - nơi những người tham gia được yêu cầu phát triển một thiết kế về cấu trúc Starshade siêu nhẹ mà có thể được sử dụng như một phần của khái niệm HOEE.
Dự án này đang được điều hành bởi GrabCAD - một công ty khởi nghiệp có trụ sở tại Massachusetts (Mỹ), nơi sở hữu một nền tảng đám mây miễn phí có thể giúp các nhóm kỹ sư cộng tác, quản lý, xem và chia sẻ các file CAD (viết tắt của cụm từ Computer-Aided Design – một loại định dạng file hình ảnh do chương trình phần mềm CAD tạo ra). Phòng thí nghiệm Giải đấu của NASA (NTL) hiện đang quản lý thử thách này để hỗ trợ cho nghiên cứu Các khái niệm nâng cao sáng tạo của NASA (NIAC) về khái niệm HOEE. Dự án này là một phần của chương trình Giải thưởng, Thử thách và Tìm kiếm nguồn cung ứng từ cộng đồng của NASA do Ban Giám đốc Sứ mệnh Công nghệ Không gian (STMD) của NASA giám sát.
Cho tới nay, hầu hết các ngoại hành tinh đã biết đều được xác nhận thông qua các phương pháp gián tiếp bao gồm phương pháp quá cảnh (hay còn gọi là phương pháp đo ánh sáng quá cảnh), trong đó dựa vào sự giảm độ sáng của một sao theo chu kỳ để phát hiện sự có mặt của một hoặc nhiều hành tinh khi chúng đi qua phía trước sao này (quá cảnh) đối với người quan sát. Một phương pháp khác là phương pháp đo vận tốc xuyên tâm (hay còn gọi là Quang phổ Doppler), trong đó dựa vào sự dịch chuyển qua lại của một sao (đối với người quan sát) để xác định các ảnh hưởng hấp dẫn tác động lên chính ngôi sao này (một hệ thống các hành tinh).
Khi được sử dụng kết hợp với nhau thì các phương pháp này rất hiệu quả trong việc thu hẹp phạm vi xác định kích thước và chu kỳ quỹ đạo của các ngoại hành tinh (phương pháp quá cảnh) cùng với khối lượng tương ứng của chúng (phương pháp đo vận tốc xuyên tâm). Tuy nhiên, với các công cụ thế hệ mới như Kính thiên văn Không gian James Webb (JWST) thì các nhà thiên văn có thể tiến hành các nghiên cứu chụp ảnh trực tiếp các ngoại hành tinh. Trong trường hợp này, ánh sáng từ các ngoại hành tinh ở xa được thu trực tiếp và phân tích bằng quang phổ kế. Quang phổ thu được có thể cung cấp dữ liệu về các khoáng chất trên bề mặt hành tinh và có thể xác định về sự có mặt của các đại dương, lục địa, hệ thống thời tiết, thảm thực vật và các loại khí tạo thành khí quyển của hành tinh này.
Dữ liệu này sẽ cho phép các nhà thiên văn và các nhà sinh học thiên văn xác định được đặc điểm của các ngoại hành tinh và khẳng định chắc chắn liệu một hành tinh nào đó “có thể có sự sống” hay không. Một phần quan trọng của phương pháp này là coronagraph - một công cụ giúp ngăn chặn ánh sáng chói của sao chủ để ánh sáng phản xạ từ khí quyển của ngoại hành tinh có thể được nhìn thấy và được quét bằng quang phổ kế, qua đó có thể xác định được thành phần hóa học của hành tinh này. Tiến sĩ John Mather - một nhà vật lý thiên văn cấp cao tại Trung tâm Chuyến bay Không gian Goddard của NASA đồng thời là nhà khoa học cấp cao của dự án JWST cho biết:
“Đài quan sát phức hợp này có thể giúp chúng tôi trả lời một số câu hỏi cấp bách nhất về sự sống ngoài Trái Đất. Việc quan sát nhiều hệ sao khác nhau sẽ giúp giải thích tại sao các cấu hình giống như Hệ Mặt Trời của chúng ta lại hiếm như vậy và tại sao không tìm được cấu hình nào giống như thế. Thật sự thú vị khi mọi người có thể là một phần của nỗ lực mang tính cách mạng này. Tôi rất nóng lòng muốn được xem họ có những ý tưởng gì.”
Điểm quan trọng của HOEE nằm ở tàu không gian “Starshade” - một khái niệm được Đài quan sát các ngoại hành tinh có sự sống (HabEx) tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) của NASA giới thiệu vào năm 2016. Ban đầu, người ta nghĩ rằng chỉ có những kính thiên văn không gian như James Webb và Nancy Grace Roman (kính thiên văn không gian hoạt động ở dải bước sóng hồng ngoại của NASA được dự kiến phóng lên quỹ đạo vào năm 2027 với mục tiêu tìm kiếm các ngoại hành tinh và tìm hiểu về các đối tượng thuộc lĩnh vực vật lý thiên văn hồng ngoại) mới có thể được hưởng lợi từ tàu không gian kiểu mái sao. Nhưng với khái niệm HOEE thì kính thiên văn trên mặt đất năm trong phạm vi 30m cũng có thể thực hiện các cuộc khảo sát Chụp ảnh Trực tiếp, trong đó bao gồm các đài quan sát thế hệ mới như Đài quan sát ELT (Extremely Large Telescope – Kính thiên văn siêu lớn), Kính thiên văn khổng lồ Magellan (GMT) và Đài quan sát TMT (Thirty Meter Telescope – Kính thiên văn 30 mét).
Về phía dự án Thử thách Thiết kế Cấu trúc Starshade Siêu nhẹ, NASA đang tìm kiếm ý tưởng về một Starshade siêu nhẹ có thể giúp thực hiện nhiệm vụ đó. Theo NASA, mục tiêu của thử thách này là phát triển một “cấu trúc hình cánh sao sáng tạo khối lượng thấp có thể đáp ứng được các yêu cầu về khối lượng, hình dạng, tính bền và độ cứng”. Người tham gia có thể tự do lựa chọn trong số 4 thiết kế được đề xuất (hoặc kết hợp giữa chúng) dưới đây, bao gồm:
- Phiên bản siêu nhẹ của khái niệm HabEx do JPL quản lý (HabEx là một khái niệm về kính thiên văn không gian sử dụng quang phổ kế để nghiên cứu khí quyển của ngoại hành tinh với ở ngoài là một starshade dùng để chặn ánh sáng của các sao)
- Chiếc ô có hình dạng cánh hoa
- Cấu trúc thổi phồng có thể cố định hóa
- Cấu trúc dựa trên giàn
Theo NASA, thiết kế lý tưởng sẽ cho phép đóng gói nhanh gọn và triển khai thành công lần một trên quỹ đạo của Trái Đất. Nói cách khác, thiết kế phải có khả năng thu gọn và gấp lại để tàu không gian có thể nằm gọn ở trong một đầu chứa trọng tải tên lửa và sau đó bung ra khi nó đi vào không gian. Điều này tương tự như những gì mà các kỹ sư đã thực hiện với James Webb, đặc biệt là ở vị trí liên quan tới gương và tấm chắn ánh sáng chính của nó. NASA cũng nhấn mạnh rằng thiết kế phải có khối lượng thấp nhất có thể để việc phóng lên quỹ đạo dễ dàng hơn (và rẻ hơn) nhằm giúp các động cơ đẩy hóa học có thể giữ cho nó thẳng hàng trong quá trình quan sát và thay đổi quỹ đạo của nó để có thể quan sát các mục tiêu khác nhau.
“Một starshade quay quanh quỹ đạo (cách chúng ta 170.000km) có thể phủ bóng lên ngôi sao ở trung tâm mà không cản trở ánh sáng phản xạ từ các hành tinh của ngôi sao này. Để có thể được sử dụng với kính thiên văn lớn nhất trên mặt đất thì starshade này cần phải có đường kính 100m. Cấu trúc lớn như vậy phải được đóng gói cẩn thận để nó có thể nằm gọn bên trong khung của một tên lửa lớn (chẳng hạn như Falcon Heavy hay Starship).”
“Nó cũng phải đạt được khối lượng thấp nhất có thể để các động cơ đẩy hóa học có thể giữ nó thẳng hàng trong quá trình quan sát và hệ thống động cơ điện Mặt Trời có thể thay đổi quỹ đạo của nó để thực hiện quan sát được nhiều mục tiêu. NASA hiện đang tìm kiếm các khái niệm cơ học/cấu trúc mang tính đột phá về một kết cấu starshade có thể dễ triển khai, khối lượng thấp, có tính bền và độ cứng cao.”
Điều kiện để tham gia thử thách này là người tham gia phải là công dân Hoa Kỳ hoặc tới từ một quốc gia đủ điều kiện (có nêu ở đây). Năm bài gửi đạt hạng cao nhất sẽ được nhận chung một giải thưởng trị giá 7.000 đô la. Danh sách đầy đủ về các yêu cầu của cuộc thi và tất cả thông tin cùng với tài liệu liên quan được đăng trên trang GrabCAD challenge.
Hồng Anh
Theo phys.org
Hình ảnh đầu bài: Ý tưởng của một họa sĩ về bản thiết kế mẫu starshade - một cấu trúc khổng lồ được thiết kế để chặn ánh sáng từ các sao nhằm giúp các kính thiên văn không gian trong tương lai có thể chụp ảnh các hành tinh. Bản quyền hình ảnh: NASA / JPL.
