Câu trả lời nằm ẩn sâu trong Vũ trụ xa xôi, xa đến mức ánh sáng đã truyền đi hàng tỷ năm để đến được với chúng ta, mang theo hình ảnh của những thiên hà đầu tiên hình thành. Thời kỳ đầu này, chỉ 200 triệu năm sau Vụ nổ lớn, nằm ngoài tầm với vốn đã rất ấn tượng của các kính thiên văn trước đây. Nhờ Kính viễn vọng Không gian James Webb của NASA/ESA/CSA, nó hiện đang được quan sát.
Nhưng ngay cả kính viễn vọng không gian vĩ đại nhất cũng chỉ tốt bằng các thiết bị gắn với nó, và đó là lúc thiết bị NIRSpec ra đời, một trong những đóng góp của châu Âu cho sứ mệnh Webb.
“Khi bắt đầu thiết kế bất kỳ thiết bị nào là tham vọng của các nhà khoa học. Pierre Ferruit, cựu Nhà khoa học Dự án Webb của ESA cho biết, việc khám phá sự hình thành của các ngôi sao và thiên hà đầu tiên đã thực sự định hình nên NIRSpec.
NIRSpec là Máy quang phổ cận hồng ngoại của Webb. Công việc của nó là tách ánh sáng hồng ngoại do Webb thu thập thành các bước sóng cấu thành của nó để tạo thành quang phổ. Bằng cách đo độ sáng thay đổi như thế nào qua các bước sóng khác nhau đối với một vật thể trong không gian, các nhà thiên văn học có thể trích xuất vô số thông tin về các đặc điểm vật lý và thành phần hóa học của nó. Trước Webb và NIRSpec, không thể làm điều này đối với những thiên hà xa xôi nhất này.
Công việc của Webb: NIRSpec
“Bây giờ chúng ta có thể làm được điều này, một con đường rộng lớn đang mở ra cho chúng ta. Bây giờ chúng ta có thể nghiên cứu các thiên hà ở xa giống như cách chúng ta nghiên cứu các vật thể ở gần hơn,” nhà thiên văn học ESA Giovanna Giardino cho biết.
Dữ liệu sẽ cho phép các nhà thiên văn lập biểu đồ cách các thiên hà phát triển từ giai đoạn rất sớm của vũ trụ thành các vật thể mà chúng ta thấy xung quanh chúng ta ngày nay.
NIRSpec được phát triển dưới sự lãnh đạo của ESA với Airbus Defense and Space Germany với tư cách là nhà thầu chính. Airbus đã tập hợp một nhóm gồm bảy mươi người tại các địa điểm của hãng ở Ottobrunn và Friedrichshafen, Đức và Toulouse, Pháp. Ngoài ra, họ còn được hỗ trợ bởi NASA và 17 nhà thầu phụ châu Âu.
Ngay từ đầu, nhóm đã quyết định rằng cách tốt nhất để đạt được thành công là đừng quá phức tạp hóa mọi thứ. Ralf Ehrenwinkler, Trưởng Chương trình NIRSpec tại Airbus cho biết: “Khi bạn nhìn vào thiết kế của NIRSpec, nó khá đơn giản.
Máy quang phổ đa đối tượng Webb NIRSpec
Giữ mọi thứ đơn giản theo cách ánh sáng được truyền qua nhạc cụ cho phép nhóm tập trung vào các khía cạnh mang tính cách mạng của nhạc cụ. Điều quan trọng nhất trong số này là nhu cầu ghi lại hiệu quả quang phổ từ nhiều vật thể cùng một lúc – điều chưa từng được thực hiện trong không gian trước đây.
Khả năng độc đáo này được trực tiếp đòi hỏi bởi mong muốn nghiên cứu Vũ trụ xa xôi, nơi các thiên hà rất mờ nhạt. Chúng ta sẽ cần phải quan sát hàng ngàn người trong số họ để lắp ráp một bức tranh toàn diện về nguồn gốc ban đầu của chúng ta.
Những cái nhìn thoáng qua đầu tiên của chúng tôi về lĩnh vực này đến vào năm 1995 với lịch sử Trường sâu Hubble. Tận dụng tầm nhìn không bị xáo trộn của nó về vũ trụ, Hubble đã quan sát một mảng trời duy nhất trong mười ngày liên tiếp, bắt đầu từ ngày 18 tháng 12. Bản vá được chọn chỉ nhỏ hơn một đốm nhỏ, chiếm khoảng một phần 24 triệu của toàn bộ bầu trời. Tuy nhiên, Hubble đã tiết lộ khoảng 3000 vật thể chưa từng được biết đến trước đây, hầu hết chúng là các thiên hà trẻ cách chúng ta hàng tỷ năm ánh sáng.
Nhờ có tấm gương lớn 6,5 mét của Webb, các hình ảnh trường sâu tương tự giờ đây có thể được chụp trong vài giờ thay vì vài ngày và NIRSpec có thể ghi lại quang phổ của chúng. Nhưng có quá nhiều thiên hà được ghi lại nên sẽ hoàn toàn không thực tế nếu NIRSpec chỉ có thể ghi lại một quang phổ tại một thời điểm. Thế là nhóm phải tìm cách làm đồng thời cho nhiều đối tượng.
Họ đã thành công một cách ngoạn mục.
Quang phổ Webb thể hiện thành phần của thiên hà
Maurice Te Plate, Kỹ sư Hệ thống NIRSpec của ESA cho biết: “Chúng tôi có thể thu thập quang phổ cho tối đa 200 đối tượng cùng một lúc, đó là một yếu tố thay đổi cuộc chơi.
Để đạt được kỳ tích đa tác vụ đáng chú ý này, NIRSpec sử dụng một thiết bị đột phá được gọi là mảng màn trập vi mô. Được sản xuất và cung cấp bởi Trung tâm bay không gian Goddard của NASA ở Greenbelt, Maryland, Hoa Kỳ, nó bao gồm khoảng một phần tư triệu cửa chớp tự động nhỏ. Mỗi cái chỉ có kích thước 80 x 180 micromet. Chúng có thể được điều khiển riêng lẻ để mở hoặc đóng khi cần thiết.
Điều này giải quyết một trong những vấn đề lớn nhất của việc thu được quang phổ từ Vũ trụ xa xôi: chẳng hạn như quang phổ của các vật thể gần hơn, các ngôi sao và các thiên hà ít xa hơn sẽ cản trở các thiên hà mờ hơn nếu chúng không bị che khuất.
“Chúng tôi chỉ để ngỏ những cái nằm trên đối tượng thú vị, còn những cái khác thì đóng hết. Như vậy, chỉ có ánh sáng phát ra từ các mục tiêu được chọn mới đi vào quang phổ của máy quang phổ để được phân tích,” Maurice nói.
Ngoại hành tinh WASP-39 b – Phổ truyền NIRSpec
Cũng như Vũ trụ xa xôi, NIRSpec được thiết kế để quan sát các thiên thể gần nhà hơn nhiều: các ngoại hành tinh. Bầu khí quyển của những thế giới này hấp thụ một số ánh sáng hồng ngoại của ngôi sao mẹ đi qua chúng. Bằng cách thu thập ánh sáng của ngôi sao và tách nó thành quang phổ, NIRSpec cho phép các nhà thiên văn tìm kiếm lượng ánh sáng cực nhỏ bị thiếu ở các bước sóng cụ thể. Sau đó, họ có thể xác định hóa chất nào có trong bầu khí quyển của hành tinh cũng như trích xuất thông tin khác về điều kiện vật lý.
Giovanna cho biết: “Bây giờ chúng ta có thể thấy dấu hiệu của nhiều phân tử quan trọng trong bầu khí quyển của các ngoại hành tinh mà không thể nhìn thấy từ mặt đất hoặc bằng thiết bị không gian tồn tại trước NIRSpec.
Tinh vân Tarantula – NIRSpec IFU
NIRSpec cung cấp cho các nhà thiên văn nhiều khả năng hơn. Đáng chú ý nhất, nó có thể chia các vật thể lớn hơn như thiên hà và tinh vân thành 30 lát và quan sát quang phổ cho mỗi lát, tất cả chỉ trong một lần chụp. Các bản đồ kết quả về điều kiện vật lý và hóa học là chìa khóa để hiểu được sự ra đời và chết đi của các ngôi sao và hoạt động của các thiên hà.
Hoạt hình nguyên lý đơn vị trường tích phân Webb NIRSpec
Để hoạt động ở vùng hồng ngoại gần, NIRSpec và hầu hết phần còn lại của Webb phải hoạt động ở nhiệt độ chỉ 40 Kelvin (–233°C), được giữ lạnh bằng tấm chắn mặt trời mang tính biểu tượng của Webb. Điều này đặt ra một thách thức lớn khi chế tạo các dụng cụ khoa học chính xác. Các vật liệu khác nhau co lại với tốc độ khác nhau khi được làm mát và điều này tạo ra những biến dạng nhỏ trong thiết bị ảnh hưởng đến độ chính xác của nó.
“Đây là điều khó khăn nhất và đó là lý do tại sao Airbus quyết định chế tạo thiết bị này chủ yếu bằng silicon carbide. Ralf cho biết tấm đế, hầu hết các cấu trúc và gương đều được làm từ silicon carbide.
Cacbua silic là một vật liệu gốm, mặc dù khó gia công nhưng cực kỳ ổn định ở nhiệt độ thấp. Bằng cách tận dụng hầu hết các thiết bị từ nó, biến dạng nhiệt có thể được loại bỏ hoàn toàn. Nhưng nó có nghĩa là hoàn toàn chắc chắn về thiết kế trước khi bắt đầu sản xuất.
NIRSpec bắt đầu như một khối cacbua silic ở trạng thái được gọi là trạng thái xanh, ở đó vật liệu này mềm và có thể gia công được. NIRSpec sau đó được gia công thành hình giống như cách một nghệ sĩ chế tác đá thành một tác phẩm điêu khắc. Tất cả các lỗ và rãnh đều được khoan và khi mọi thứ đã sẵn sàng, nó được đưa vào lò để ‘thiêu kết’. Điều này làm cứng vật liệu, làm cho nó cực kỳ khó gia công. Vì vậy, nhóm phải hoàn toàn chắc chắn về thiết kế trước khi bắt đầu sản xuất.
Maurice nói: “Làm việc với cacbua silic chắc chắn là một thách thức và tôi rất tự hào rằng chúng tôi đã thành công trong việc chế tạo nó. Một phần là kết quả của sự thành công của họ, làm việc với vật liệu này giờ đây đã trở thành một đặc sản của châu Âu.
Hình ảnh đầu tiên của Webb – nổi bật
Thành công của NIRSpec đã trở thành tâm điểm chú ý của nhóm khi những hình ảnh và dữ liệu đầu tiên bắt đầu quay trở lại Trái đất. “Tôi không phải là nhà khoa học, tôi là kỹ sư. Vì vậy, tôi rất vui khi thấy rằng tất cả thiết bị đo từ xa đều có màu xanh lục và NIRSpec đang hoạt động. Nhưng tôi sẽ chia sẻ rằng tôi đã ở Baltimore với khoảng 200 người khác khi những hình ảnh đầu tiên được công bố. Tất cả chúng tôi đều rơm rớm nước mắt,” Ralf nói.
Và bây giờ dữ liệu đang được cập nhật liên tục, có rất nhiều người khác cũng cảm thấy như vậy.
“Tôi khá ngạc nhiên về chất lượng quang phổ mà chúng tôi đang thu được. Tôi có thể thấy rằng những người quan sát cũng rất hài lòng với dữ liệu. Và đối với tôi, đó là lý do chúng tôi xây dựng NIRSpec. Tôi nghĩ cả đội đều cảm thấy điều này. Bây giờ NIRSpec đang phân phối, cảm giác thật tuyệt,” Pierre nói.
Sau khi quá trình phân tích dữ liệu tỉ mỉ được hoàn thành, chúng ta sẽ có câu trả lời mới cho những câu hỏi phi thường rất quan trọng để hiểu được sự tồn tại của chính chúng ta: các thiên hà và ngôi sao đầu tiên hình thành như thế nào trong Vũ trụ của chúng ta và tần suất các hành tinh quay quanh các ngôi sao khác đưa ra các điều kiện cho phép sự sống như thế nào chúng ta biết nó tồn tại.
Đó là mục đích mà NIRSpec được xây dựng: mở nhiều cửa sổ để xem xét các câu hỏi lớn.
Thêm thông tin
Webb là chiếc kính viễn vọng lớn nhất, mạnh nhất từng được phóng vào vũ trụ. Theo thỏa thuận hợp tác quốc tế, ESA đã cung cấp dịch vụ phóng kính viễn vọng, sử dụng phương tiện phóng Ariane 5. Làm việc với các đối tác, ESA chịu trách nhiệm phát triển và đánh giá khả năng thích ứng của Ariane 5 cho sứ mệnh Webb và mua sắm dịch vụ phóng của Arianespace. ESA cũng cung cấp máy quang phổ NIRSpec và 50% thiết bị hồng ngoại tầm trung MIRI, được thiết kế và chế tạo bởi một tập đoàn gồm các Viện châu Âu được tài trợ quốc gia (Hiệp hội MIRI châu Âu) hợp tác với JPL và Đại học Arizona. Webb là sự hợp tác quốc tế giữa NASA, ESA và Cơ quan Vũ trụ Canada (CSA).