Bí mật giúp kính viễn vọng James Webb có thể khám phá vũ trụ sơ khai

(Dân trí) - Một cỗ máy có khả năng nhìn thấy ánh sáng từ các thiên hà hình thành cách đây 13 tỷ năm. Kính viễn vọng James Webb được chế tạo để hiện thực hoá nhiệm vụ đó.

"Cỗ máy thời gian" khám phá vũ trụ sơ khai

Hình ảnh của tinh vân NGC 604 cách Trái Đất khoảng 2,7 triệu năm ánh sáng, do kính viễn vọng không gian James Webb chụp (Ảnh: NASA/ESA/CSSA/STScl).

Kể từ khi được phóng vào không gian vào tháng 12/2021, kính viễn vọng không gian James Webb đã bay quanh Trái Đất hơn một triệu dặm, liên tục gửi về những hình ảnh ngoạn mục về không gian sâu thẳm.

Vậy, điều gì đã giúp Webb có thể "nhìn" xa đến vậy, thậm chí là quay ngược thời gian để khám phá vũ trụ sơ khai?

Bí mật nằm ở hệ thống camera mạnh mẽ của Webb, đặc biệt là khả năng ghi nhận ánh sáng hồng ngoại – loại ánh sáng mà mắt người không thể nhìn thấy.

Khi Webb chụp ảnh một thiên hà xa xôi, các nhà thiên văn học thực chất đang nhìn thấy thiên hà đó hàng tỷ năm trước.

Ánh sáng từ thiên hà đã di chuyển qua không gian trong hàng tỷ năm để đến được gương của kính viễn vọng. Điều này giống như việc Webb là một "cỗ máy thời gian" chụp ảnh vũ trụ ở những giai đoạn sơ khai nhất.

Bằng cách sử dụng một tấm gương khổng lồ để thu thập ánh sáng cổ xưa này, Webb đã và đang khám phá những bí mật mới về vũ trụ.

Webb: Kính viễn vọng "nhìn thấy" nhiệt

Không giống như kính viễn vọng Hubble hay các máy ảnh thông thường chỉ chụp ảnh ánh sáng khả kiến, Webb được thiết kế để ghi nhận ánh sáng hồng ngoại.

Ánh sáng hồng ngoại có bước sóng dài hơn ánh sáng khả kiến, do đó mắt người không thể nhìn thấy. Tuy nhiên, Webb có thể chụp được loại ánh sáng này để nghiên cứu các vật thể sớm nhất và xa nhất trong vũ trụ.

Camera hồng ngoại, giống như kính nhìn ban đêm, cho phép bạn 'nhìn thấy' sóng hồng ngoại phát ra từ các vật thể ấm như con người và động vật. Nhiệt độ của hình ảnh được tính bằng độ Fahrenheit (ảnh: NASA/JPL-Caltech).

Mặc dù mắt người không thể nhìn thấy ánh sáng hồng ngoại, nhưng các thiết bị chuyên dụng như camera hồng ngoại hoặc cảm biến nhiệt có thể phát hiện nó dưới dạng nhiệt.

Kính nhìn ban đêm, sử dụng ánh sáng hồng ngoại để phát hiện các vật thể ấm trong bóng tối, là một ví dụ điển hình. Webb cũng áp dụng công nghệ tương tự để nghiên cứu các ngôi sao, thiên hà và hành tinh.

Lý do Webb sử dụng ánh sáng hồng ngoại là vì khi ánh sáng khả kiến từ các thiên hà xa xôi di chuyển qua vũ trụ, nó sẽ bị giãn ra do sự giãn nở của vũ trụ.

Sự giãn nở này biến ánh sáng khả kiến thành ánh sáng hồng ngoại. Do đó, các thiên hà xa nhất trong không gian không còn phát sáng bằng ánh sáng khả kiến mà phát sáng bằng tia hồng ngoại yếu. Webb được thiết kế đặc biệt để phát hiện loại ánh sáng này.

Gương vàng khổng lồ: Thu thập ánh sáng yếu nhất

Trước khi ánh sáng đến được máy ảnh, nó phải được thu nhận bởi chiếc gương vàng khổng lồ của Webb. Gương này rộng hơn 6,5 mét, được tạo thành từ 18 mảnh gương nhỏ hơn ghép lại với nhau như tổ ong.

Bề mặt gương được phủ một lớp vàng thật mỏng, không chỉ để tăng tính thẩm mỹ mà còn vì vàng phản xạ ánh sáng hồng ngoại cực kỳ tốt.

Chiếc gương này thu thập ánh sáng từ không gian sâu thẳm và phản chiếu vào các thiết bị của kính viễn vọng. Gương càng lớn, càng thu thập được nhiều ánh sáng và có thể nhìn xa hơn. Gương của Webb là gương lớn nhất từng được con người đưa vào không gian.

Gương lớn của Webb, được tạo thành từ 18 gương lục giác nhỏ và được phủ một lớp vàng (ảnh: NASA).

NIRCam và MIRI: "Đôi mắt" siêu nhạy của Webb

Hai thiết bị khoa học quan trọng nhất của Webb, hoạt động như những chiếc máy ảnh, là NIRCam và MIRI.

NIRCam (camera cận hồng ngoại) là camera chính của Webb, chuyên chụp những hình ảnh tuyệt đẹp về các thiên hà và ngôi sao. Nó còn được trang bị một coronagraph – thiết bị chặn ánh sáng sao để có thể chụp ảnh các vật thể rất mờ gần các nguồn sáng mạnh, như các hành tinh quay quanh các ngôi sao sáng.

NIRCam hoạt động bằng cách chụp ảnh ánh sáng cận hồng ngoại (loại ánh sáng gần nhất với những gì mắt người có thể nhìn thấy) và phân tách nó thành các bước sóng khác nhau. Điều này giúp các nhà khoa học không chỉ xác định hình dạng của một vật thể mà còn biết được thành phần cấu tạo của nó.

Các vật liệu khác nhau trong không gian hấp thụ và phát ra ánh sáng hồng ngoại ở các bước sóng cụ thể, tạo ra một loại "dấu vân tay hóa học" độc đáo. Bằng cách nghiên cứu các dấu vân tay này, các nhà khoa học có thể khám phá các đặc tính của các ngôi sao và thiên hà xa xôi.

MIRI (thiết bị hồng ngoại trung bình) phát hiện các bước sóng hồng ngoại dài hơn, đặc biệt hữu ích để phát hiện các vật thể lạnh hơn và nhiều bụi hơn, chẳng hạn như các ngôi sao vẫn đang hình thành bên trong các đám mây khí. MIRI thậm chí có thể giúp tìm ra manh mối về các loại phân tử trong bầu khí quyển của các hành tinh có thể hỗ trợ sự sống.

Cả hai camera này đều nhạy hơn nhiều so với các camera tiêu chuẩn được sử dụng trên Trái Đất. NIRCam và MIRI có thể phát hiện lượng nhiệt nhỏ nhất từ cách xa hàng tỷ năm ánh sáng. Nếu bạn có NIRCam của Webb như đôi mắt của mình, bạn có thể nhìn thấy nhiệt từ một con ong trên Mặt Trăng.

Hình ảnh trường sâu đầu tiên của Webb: Hình ảnh MIRI ở bên trái và hình ảnh NIRCam ở bên phải (ảnh: NASA).

Để phát hiện nhiệt yếu từ các vật thể ở xa, Webb cần phải duy trì nhiệt độ cực lạnh. Đó là lý do tại sao nó mang theo một tấm chắn nắng khổng lồ có kích thước bằng một sân tennis. Tấm chắn nắng năm lớp này chặn nhiệt từ Mặt Trời, Trái Đất và thậm chí cả Mặt Trăng, giúp Webb duy trì nhiệt độ khoảng âm 223 độ C.

MIRI cần phải lạnh hơn nữa, do đó nó có tủ lạnh đặc biệt riêng, gọi là cryocooler, để giữ nhiệt độ gần âm 266 độ C. Chỉ cần Webb ấm hơn một chút, nhiệt độ của chính nó sẽ lấn át các tín hiệu yếu ớt mà nó đang cố gắng phát hiện.

Biến ánh sáng không gian thành hình ảnh sống động

Khi ánh sáng đến được camera của Webb, nó sẽ chạm vào các cảm biến gọi là máy dò. Các máy dò này không chụp ảnh thông thường như camera điện thoại.

Thay vào đó, chúng chuyển đổi ánh sáng hồng ngoại thành dữ liệu kỹ thuật số. Dữ liệu này sau đó được gửi về Trái Đất, nơi các nhà khoa học xử lý và biến chúng thành những hình ảnh đầy đủ màu sắc.

Màu sắc mà chúng ta thấy trong những tấm ảnh do Webb chụp không phải là những gì máy ảnh "nhìn thấy" trực tiếp. Vì ánh sáng hồng ngoại là vô hình, các nhà khoa học gán màu cho các bước sóng khác nhau để giúp chúng ta hiểu những gì có trong ảnh.

Những hình ảnh đã xử lý này giúp hiển thị cấu trúc, tuổi tác và thành phần của các thiên hà, ngôi sao và nhiều thứ khác.

Bằng cách sử dụng một tấm gương khổng lồ để thu thập ánh sáng hồng ngoại vô hình và gửi đến các máy ảnh siêu lạnh, kính viễn vọng James Webb đã cho chúng ta nhìn thấy các thiên hà hình thành ngay từ khi vũ trụ bắt đầu, tức là chúng ta đang nhìn thấy những gì xảy ra cách đây khoảng 14 tỷ năm.

Nguồn: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/bi-mat-giup-kinh-vien-vong-james-webb-co-the-kham-pha-vu-tru-so-khai-20250710034510062.htm