Pillars of Creation

1. Cuộc hành trình bất tận của thiên văn học: Chân trời lùi xa thúc đẩy khám phá

“Lịch sử thiên văn học,” nhà thiên văn Mỹ Edwin Hubble viết năm 1936, “là lịch sử của những chân trời lùi xa.”

Sự tò mò và công cụ. Tiến bộ khoa học, đặc biệt trong thiên văn học, là sự giao thoa liên tục giữa khát vọng trí tuệ và đổi mới công nghệ. Mỗi thế hệ thừa hưởng một vũ trụ được định hình bởi giới hạn của công cụ trước đó, rồi sáng tạo ra những công cụ mới để mở rộng ranh giới ấy, hé lộ những chân trời mới. Sự “giao tiếp” giữa tầm nhìn và sứ mệnh này là nền tảng để hiểu về vũ trụ.

Cuộc cách mạng của Galileo. Bước ngoặt lớn đầu tiên diễn ra năm 1609 khi Galileo Galilei hướng chiếc kính thiên văn thô sơ lên bầu trời, thu hẹp khoảng cách tưởng chừng không thể vượt qua đến các thiên thể. Ông phát hiện các vệ tinh quay quanh sao Mộc và các pha của sao Kim, cung cấp bằng chứng thực nghiệm thách thức mô hình địa tâm và định nghĩa lại khái niệm “nhìn thấy” bao gồm cả sự hỗ trợ của công cụ. Đây là khởi đầu cho truyền thống bốn thế kỷ mở rộng tầm nhìn về vũ trụ.

Mở rộng những điều đã biết. Các thế hệ thiên văn học tiếp theo như Christiaan Huygens và Giovanni Domenico Cassini cải tiến công nghệ kính thiên văn, phát hiện thêm vệ tinh, hành tinh và vành đai của sao Thổ. William Herschel, cuối thế kỷ 18, nâng cao đáng kể “sức mạnh vươn ra không gian” với gương phản xạ lớn hơn, hé lộ những ngôi sao và tinh vân mờ nhạt, xa xôi hơn, đồng thời thêm chiều sâu cho bầu trời đầy sao.

2. Vượt ra ngoài ánh sáng nhìn thấy: Cuộc cách mạng quang phổ điện từ

“Nhiệt bức xạ,” Herschel kết luận, “ít nhất một phần, nếu không phải chủ yếu, là ánh sáng vô hình, nếu tôi được phép dùng cách diễn đạt này.”

Ánh sáng vô hình. Trong khi Galileo và Herschel mở rộng tầm nhìn trong dải ánh sáng nhìn thấy, giữa thế kỷ 20, người ta nhận ra ánh sáng còn vượt xa khả năng mắt người cảm nhận. Chính Herschel năm 1800 đã phát hiện “ánh sáng vô hình” (hồng ngoại) nằm ngoài đầu đỏ của quang phổ, hé lộ một thực tại điện từ rộng lớn hơn.

Những cửa sổ vũ trụ mới. Sau Thế chiến II, các nhà thiên văn phát hiện các thiên thể phát sóng radio, và các thí nghiệm tên lửa đầu tiên ghi nhận tia cực tím và tia X từ Mặt Trời và xa hơn nữa. Riccardo Giacconi, người tiên phong trong thiên văn tia X, dẫn dắt các sứ mệnh như Uhuru (1970) và Einstein (1978), hé lộ một vũ trụ “tràn ngập các nguồn tia X bí ẩn.” Điều này chứng minh rằng các bước sóng khác nhau mang thông tin độc đáo, không thể tiếp cận qua kính thiên văn quang học.

Các Đài quan sát vĩ đại của NASA. Điều này dẫn đến chương trình Đài quan sát vĩ đại của NASA, lên kế hoạch phóng các vệ tinh quan sát tia X, hồng ngoại, gamma và ánh sáng nhìn thấy/cực tím. Kính thiên văn không gian Hubble (HST) là một phần trong đó, nhưng ngay trước khi phóng, Giacconi đã thúc đẩy kế hoạch cho người kế nhiệm, nhận thấy cần tiếp tục khám phá toàn bộ quang phổ điện từ, đặc biệt là hồng ngoại, để tránh những “khoảng lặng” khoa học.

3. Hành trình “phi tuyến” của JWST: Vượt qua hàng thập kỷ thử thách

“Ôi không,” Illingworth cuối cùng nói. “Chúng ta không có thời gian.”

Sự phản đối ban đầu. Ý tưởng táo bạo của Riccardo Giacconi năm 1985 về việc bắt đầu lên kế hoạch cho người kế nhiệm Hubble, Kính thiên văn Không gian Thế hệ tiếp theo (NGST), gặp phải sự phản đối từ phó của ông, Garth Illingworth, người cho rằng điều đó “điên rồ” khi Hubble còn cách năm năm mới phóng. Tuy nhiên, tầm nhìn xa của Giacconi, dựa trên kinh nghiệm với các chu kỳ phát triển dài, đã chứng minh là then chốt cho sự thành công của dự án.

Cuộc chiến ngân sách. NGST, sau này đổi tên thành Kính thiên văn James Webb (JWST), trải qua nhiều “phi tuyến tính” trong quá trình phát triển. Triết lý “nhanh hơn, tốt hơn, rẻ hơn” của Giám đốc NASA Dan Goldin xung đột với chi phí dự án tăng vọt, từ 500 triệu đô ban đầu lên hơn 8 tỷ đô. Điều này dẫn đến sự giám sát chặt chẽ của Quốc hội, đe dọa hủy bỏ và danh tiếng là “kính thiên văn nuốt chửng thiên văn học.”

Thử thách chính trị và kỹ thuật. Dự án chịu nhiều trì hoãn, một phần do những thách thức kỹ thuật chưa từng có, một phần do “những sai lầm ngớ ngẩn” như đấu nối sai và van đẩy bị hỏng. Một hội đồng đánh giá độc lập năm 2010 cho rằng ước tính ngân sách và lịch trình của NASA không thực tế, dẫn đến thay đổi lãnh đạo và giới hạn ngân sách 8 tỷ đô từ Quốc hội, cuối cùng cũng bị vượt qua.

4. Phép màu kỹ thuật: Tấm chắn mặt trời và gương phân đoạn

“Nó cũng sẽ là một cơn ác mộng nhiệt để kiểm chứng,” ông nói.

Cơn ác mộng nhiệt. Thiết kế kính thiên văn hồng ngoại cho không gian đặt ra thách thức đặc biệt về kiểm soát nhiệt độ. Mike Menzel, kỹ sư trưởng hệ thống của JWST, nhận ra sự chênh lệch nhiệt độ cực đoan – hàng trăm độ C ở mặt hướng về Mặt Trời so với gần tuyệt đối 0 ở phía kính – khiến việc thử nghiệm trên mặt đất truyền thống trở nên bất khả thi. Điều này đòi hỏi phương pháp kiểm chứng “dựa trên phân tích” cách mạng, dựa vào mô hình toán học và thử nghiệm từng bộ phận riêng biệt.

Mở ra trong không gian. Gương chính của JWST rộng 6,5 mét (21,6 feet) quá lớn để vừa với bất kỳ vỏ tên lửa nào. Các kỹ sư đã nghĩ ra giải pháp sáng tạo: gương phân đoạn làm từ beryllium nhẹ, phủ vàng, có thể gấp lại như nghệ thuật origami để phóng rồi mở ra chính xác trong không gian. Quá trình triển khai phức tạp này, cùng với tấm chắn mặt trời, bao gồm 344 “điểm đơn thất bại,” chỉ một lỗi nhỏ cũng có thể hủy hoại sứ mệnh.

Sự tinh tế của tấm chắn mặt trời. Tấm chắn mặt trời năm lớp, mỗi lớp mỏng như giấy ăn và rộng bằng sân tennis, là một kỳ quan khác. Nó được thiết kế để làm mát thụ động kính thiên văn xuống -237 độ C (-394 độ F), cung cấp chỉ số SPF lên đến một triệu. Việc triển khai thành công, dù có một giờ giây hồi hộp khi cơ chế cuối cùng được thả, là minh chứng cho hàng thập kỷ kỹ thuật tỉ mỉ và giải quyết vấn đề.

5. Ánh sáng đầu tiên: Sự xuất hiện ngoạn mục của Webb và tác động công chúng

“Đúng rồi, anh yêu, nó có khác thật. Nhưng Hubble mất mười bốn ngày để chụp bức ảnh đó. Chúng ta làm trong mười hai giờ, và trong mười hai giờ đó những vật thể mờ nhạt nhất đã phá kỷ lục của Hubble. Và chúng ta thậm chí không cố ý.”

Phóng thành công hoàn hảo. Sau nhiều thập kỷ trì hoãn và thử thách, JWST được phóng thành công vào ngày 25 tháng 12 năm 2021. Sáu tháng “kinh hoàng” tiếp theo – chuỗi triển khai phức tạp, căn chỉnh gương và kích hoạt thiết bị – diễn ra thành công vượt mong đợi, tiết kiệm nhiên liệu và vượt chỉ tiêu. Ngay cả cú va chạm với thiên thạch nhỏ vào tháng 5 năm 2022, dù đáng kể, cũng được hấp thụ nhờ “dự phòng” thiết kế.

Một trường sâu mới. Ngày 12 tháng 7 năm 2022, JWST chính thức chuyển sang chế độ khoa học, và Tổng thống Joe Biden công bố hình ảnh công khai đầu tiên: một “Trường Sâu” cập nhật. Bức ảnh này, gợi nhớ Trường Sâu nổi tiếng của Hubble năm 1995, thể hiện sức mạnh chưa từng có của Webb. Phản ứng của Mike Menzel khi vợ ông so sánh cho thấy bước nhảy vọt: Webb hoàn thành trong 12 giờ những gì Hubble mất 14 ngày, phá vỡ kỷ lục “mà không hề cố gắng.”

Sự say mê của công chúng. Bức ảnh “Cột Sáng Tạo” – phiên bản cập nhật của bức ảnh năm 1995 của Hubble – đặc biệt thu hút sự chú ý, trở thành biểu tượng cho khả năng xuất sắc của Webb. Tình yêu của công chúng với ảnh màu của Hubble những năm 1990 được thắp lại, khi Webb cho phép mọi người “tự mình nhìn thấy vũ trụ,” gần gũi và đầy màu sắc, thay đổi cách họ hiểu về không gian và thời gian.

6. Gần nhà hơn: Hé lộ câu chuyện nước trong Hệ Mặt Trời

“Nhìn kìa!” cô nói với con mèo. “Nhìn những vành đai kìa!”

Vành đai sao Hải Vương. Heidi Hammel, nhà thiên văn hành tinh kỳ cựu, trải qua khoảnh khắc xúc động sâu sắc khi nhìn thấy hình ảnh chi tiết về vành đai của sao Hải Vương do Webb chụp, một cảnh tượng bà mong đợi suốt sự nghiệp. Bức ảnh này, một phần của chiến dịch truyền thông, nhấn mạnh khả năng của Webb trong việc mang đến hình ảnh tuyệt đẹp và khơi dậy sự ngạc nhiên khoa học, ngay cả với các chuyên gia dày dạn.

Bộ sưu tập hệ Mặt Trời. Dù ban đầu có lo ngại rằng mục tiêu chính của JWST (ngoại hành tinh và thiên hà sơ khai) có thể làm lu mờ thiên văn học hệ Mặt Trời, Hammel và những người khác đã vận động để đưa nó vào chương trình. Khả năng theo dõi các mục tiêu chuyển động nhanh và quan sát các vật thể sáng, kết hợp với phổ hồng ngoại chưa từng có, cho phép thực hiện chương trình “bộ sưu tập hệ Mặt Trời.” Chương trình này nhằm nghiên cứu thành phần hóa học và lịch sử của các vật thể như sao chổi, tiểu hành tinh và vệ tinh.

Nước, nước khắp nơi. Quan sát của Webb tiết lộ những hiểu biết bất ngờ về sự phổ biến và nguồn gốc của nước. Nó phát hiện một cột nước khổng lồ phun trào từ vệ tinh Enceladus của sao Thổ, kéo dài gấp 20 lần đường kính vệ tinh và ảnh hưởng đến toàn bộ hệ sao Thổ. Thậm chí còn bất ngờ hơn, Webb phát hiện sự thăng hoa nước trong các “tiểu hành tinh hoạt động” trong vành đai chính, thách thức niềm tin lâu nay rằng các vật thể này khô cằn và gợi ý rằng tiểu hành tinh có thể đã góp phần cung cấp nước cho Trái Đất cùng với sao chổi.

7. Ngoại hành tinh: Tìm kiếm dấu hiệu sự sống ngoài Mặt Trời

“Chúng ta chưa biết điều này có thật không,” ông nói. “Nhưng,” ông tiếp, “trên Trái Đất, dimethyl sulfide chỉ được tạo ra bởi sự sống. Không thể tạo ra nó bằng cách nào khác.”

Chén thánh. Tìm kiếm môi trường có thể sống và dấu hiệu sinh học trên ngoại hành tinh là mục tiêu trung tâm của Webb. Nhóm của Nikku Madhusudhan, nghiên cứu ngoại hành tinh K2-18 b, công bố phát hiện tạm thời dimethyl sulfide, một phân tử chỉ được tạo ra bởi sự sống trên Trái Đất. Khoảnh khắc “tôi không đùa đâu” này, dù rất thận trọng, đã thổi bùng sự phấn khích trong cộng đồng khoa học và công chúng về khả năng tồn tại sự sống ngoài Trái Đất.

Điều kiện tiên quyết cho sự sống. Webb khảo sát ba giai đoạn hình thành ngoại hành tinh:

• Tiền sao: Những hình ảnh như L1527 cho thấy các đám mây hình đồng hồ cát, nơi khí và bụi tích tụ thành đĩa tiền hành tinh, tương tự hệ Mặt Trời sơ khai của chúng ta.
• Hệ tiền hành tinh: Dụng cụ Trung hồng ngoại của Webb phát hiện lượng lớn hơi nước trong các đĩa tiền hành tinh nhỏ gọn, ủng hộ giả thuyết rằng các viên đá băng trôi vào bên trong “đường tuyết” để mang nước đến các hành tinh đang hình thành.
• Ngoại hành tinh: Các coronagraph của Webb cho phép chụp ảnh trực tiếp ngoại hành tinh, trong khi phổ truyền qua giúp phân tích thành phần khí quyển.

Methane và thế giới hycean. Nhóm Madhusudhan xác nhận sự hiện diện của methane và carbon dioxide trong khí quyển K2-18 b, giải quyết “vấn đề methane mất tích” trong phổ ngoại hành tinh. K2-18 b là hành tinh “hycean,” một thế giới giả định với khí quyển giàu hydro và đại dương nước, trở thành ứng viên hàng đầu để nghiên cứu khả năng sống ngoài Trái Đất.

8. Tiến hóa thiên hà: Siêu tân tinh, bụi và tái chế vũ trụ

Nó nổ thật đấy.

Bất thường về bụi. Trong nhiều thập kỷ, các nhà thiên văn quan sát thấy lượng bụi vũ trụ trong vũ trụ sơ khai nhiều hơn dự đoán của mô hình. “Bất thường bụi” này chỉ ra siêu tân tinh là nguồn gốc có khả năng nhất, khi những vụ nổ sao khổng lồ này phun ra các nguyên tố nặng và bụi vào môi trường liên sao, nuôi dưỡng các thế hệ sao và thiên hà tiếp theo.

Nhà máy bụi siêu tân tinh. Nhóm của Ori Fox sử dụng dụng cụ Trung hồng ngoại của Webb nhắm vào các siêu tân tinh, đặc biệt là Siêu tân tinh 2004et trong “Thiên hà Pháo hoa.” So sánh hình ảnh lọc 5 micron (sao nóng hơn) và 20 micron (bụi lạnh hơn), họ phát hiện một điểm đỏ rực rỡ của bụi, xác nhận siêu tân tinh sản xuất bụi dồi dào. Khoảnh khắc “nổ” này cung cấp bằng chứng thuyết phục rằng siêu tân tinh thực sự gieo mầm cho vũ trụ với các thành phần cấu tạo mọi thứ.

PHANGS và cấu trúc thiên hà. Hợp tác PHANGS dùng Webb xuyên qua các cánh tay xoắn ốc phủ bụi của 19 thiên hà, hé lộ cấu trúc tinh vi như bọt khí và khoang bụi. Khảo sát kho báu của họ, một kho dữ liệu cho cộng đồng, chi tiết tốc độ và thời gian hình thành sao, cho thấy cách tái chế vũ trụ thúc đẩy tiến hóa thiên hà và sự tạo thành liên tục của các nguyên tố, hoàn thiện câu chuyện “chúng ta là bụi sao.”

9. Vũ trụ sơ khai: Thách thức giới hạn của vũ trụ học

Ở đâu đó trong đó có một tín hiệu. Rebecca Larson chắc chắn như vậy.

Khám phá bình minh. Đột phá mã hóa đêm khuya của Rebecca Larson, trích xuất các vạch phát xạ mờ nhạt từ dữ liệu Webb, xác nhận sự tồn tại của một thiên hà cổ xưa như nhóm cô hy vọng – khoảng 460 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn. Phát hiện này, các vạch phát xạ xa nhất từng được phát hiện, cung cấp dữ liệu thành phần hóa học quan trọng cho vũ trụ sơ khai, giúp “làm rõ bức tranh vũ trụ ban đầu.”

“Vũ trụ học bị phá vỡ”? Quan sát đầu tiên của Webb gây chú ý với các tiêu đề cho rằng kính thiên văn “phá vỡ vũ trụ học” khi phát hiện các thiên hà “quá lớn, quá sáng, quá trẻ” so với mô hình hiện tại. Dù một số bất thường ban đầu sau đó được đánh giá lại hoặc giải thích bằng mô hình điều chỉnh (ví dụ, lỗ đen siêu khối lượng, sự hình thành sao bùng nổ), dữ liệu liên tục thách thức hiểu biết phổ biến về tiến hóa thiên hà trong thời kỳ đầu của vũ trụ.

Sự bền bỉ của Mô hình Chuẩn. Phần lớn các nhà vũ trụ học vẫn tin tưởng vào Mô hình Chuẩn của Vũ trụ học