Kính viễn vọng không gian Hubble là đài quan sát quang học quay quanh Trái Đất ở độ cao khoảng 540 km, được tàu con thoi Discovery đưa lên quỹ đạo ngày 24 tháng 4 năm 1990, do NASA phối hợp với Cơ quan Vũ trụ châu Âu vận hành. Nằm trên bầu khí quyển, Hubble chụp được ảnh sắc nét hơn nhiều kính mặt đất cùng thời và quan sát được cả tia tử ngoại mà khí quyển chặn lại. Hơn ba mươi lăm năm, nó góp phần đo tốc độ giãn nở của vũ trụ, xác nhận năng lượng tối, và chụp những bức ảnh đã thay đổi cách công chúng hình dung vũ trụ.
Hubble cũng là một công trình kỹ thuật có lịch sử đáng kể: một chiếc gương mài sai một lượng rất nhỏ khiến ảnh đầu tiên bị nhoè, một chuyến bay sửa chữa năm 1993 được coi là trong những nhiệm vụ không gian khó nhất, và năm lần bảo dưỡng bằng tàu con thoi biến nó thành chiếc kính “được nâng cấp trên quỹ đạo”. Bài này kể lại lịch sử ấy như lịch sử của một công trình.
Dòng thời gian
Các mốc chính của Hubble từ ý tưởng tới hiện tại:
- Năm 1946: nhà vật lý thiên văn Lyman Spitzer viết bài phân tích lợi ích của một kính viễn vọng đặt ngoài khí quyển, thường được coi là khởi đầu ý tưởng.
- Thập niên 1970: dự án được phê duyệt, Cơ quan Vũ trụ châu Âu tham gia, góp tấm pin mặt trời và một thiết bị quan sát.
- Năm 1986: thảm hoạ tàu Challenger khiến chương trình tàu con thoi tạm dừng, lịch phóng Hubble lùi lại vài năm.
- 24/4/1990: tàu Discovery phóng Hubble trong chuyến STS-31; kính được thả ra quỹ đạo ngày hôm sau.
- Tháng 6 năm 1990: phát hiện ảnh bị nhoè do lỗi cầu sai của gương chính.
- Tháng 12 năm 1993: chuyến bảo dưỡng đầu tiên lắp thiết bị hiệu chỉnh quang học và camera mới; ảnh trở nên sắc nét như thiết kế.
- Năm 1997, 1999, 2002, 2009: bốn chuyến bảo dưỡng tiếp theo thay con quay, pin, máy tính và lắp các thiết bị thế hệ mới.
- Năm 2011: chương trình tàu con thoi kết thúc; Hubble không còn được sửa chữa trực tiếp.
- Năm 2024: do con quay hồi chuyển xuống cấp, Hubble chuyển sang chế độ vận hành dùng một con quay để kéo dài tuổi thọ, chấp nhận giảm một phần khả năng quan sát.
Kính được đặt theo tên Edwin Hubble, nhà thiên văn Mỹ có công chỉ ra rằng nhiều “tinh vân” là các thiên hà nằm ngoài Ngân Hà, và cùng các nhà nghiên cứu khác xác lập mối quan hệ giữa khoảng cách và vận tốc lùi xa của thiên hà cuối thập niên 1920.
Cấu tạo: một chiếc kính phản xạ cỡ chiếc xe buýt
Hubble về nguyên lý là một kính viễn vọng phản xạ kiểu Cassegrain, nhưng được thiết kế để sống nhiều thập niên trong môi trường khắc nghiệt. Các số liệu dưới đây theo tài liệu công bố của NASA, làm tròn.
| Bộ phận | Đặc điểm | Vai trò |
|---|---|---|
| Gương chính | Đường kính 2,4 m | Thu ánh sáng; gương càng lớn thì thấy vật càng mờ và chi tiết càng nhỏ |
| Gương phụ | Đường kính khoảng 0,3 m | Phản xạ ánh sáng qua lỗ giữa gương chính tới các thiết bị |
| Thiết bị khoa học | Camera và máy quang phổ, thay đổi qua các lần bảo dưỡng | Chụp ảnh và phân tích ánh sáng ở dải tử ngoại, khả kiến, cận hồng ngoại |
| Hệ định hướng | Con quay hồi chuyển, cảm biến dẫn đường | Giữ kính hướng chính xác vào mục tiêu trong nhiều giờ |
| Tấm pin mặt trời | Thay mới nhiều lần | Cung cấp điện |
| Kích thước tổng | Dài khoảng 13 m, nặng khoảng 11 tấn | Vừa khoang chở hàng của tàu con thoi |
Hubble bay một vòng quanh Trái Đất khoảng 95 phút. Vì quỹ đạo thấp, Trái Đất che khuất mục tiêu một phần thời gian mỗi vòng, và việc lập lịch quan sát phải tính tới điều đó. Đổi lại, quỹ đạo thấp cho phép tàu con thoi tiếp cận để sửa chữa, điều mà các kính đặt ở xa như James Webb không có.
Chiếc gương bị lỗi và chuyến sửa chữa năm 1993
Vài tuần sau khi phóng, các nhà khoa học nhận ra ảnh của Hubble không sắc nét như mong đợi. Nguyên nhân là gương chính bị mài sai hình dạng ở rìa, lệch khoảng 2 micromet, nhỏ hơn nhiều lần độ dày sợi tóc. Lỗi nhỏ đó gây ra hiện tượng cầu sai: ánh sáng từ rìa và từ tâm gương hội tụ ở hai điểm khác nhau, làm ảnh bị nhoè. Một ủy ban điều tra xác định lỗi bắt nguồn từ thiết bị đo dùng khi mài gương bị lắp lệch, và các phép kiểm tra lẽ ra phát hiện được đã không được thực hiện đầy đủ.
Vì không thể mang gương về, giải pháp là “đeo kính” cho kính viễn vọng. Do lỗi gương được đo chính xác, các kỹ sư thiết kế những gương nhỏ hiệu chỉnh đúng sai số ngược lại. Tháng 12 năm 1993, phi hành đoàn tàu Endeavour trong chuyến STS-61 thực hiện năm lần đi bộ ngoài không gian liên tiếp, lắp bộ hiệu chỉnh quang học COSTAR và camera WFPC2 có quang học hiệu chỉnh sẵn, cùng thay pin mặt trời và con quay. Ảnh đầu tiên sau sửa chữa cho thấy kính đã đạt độ sắc nét thiết kế.
Câu chuyện này thường được dùng trong giáo dục kỹ thuật như bài học về kiểm định độc lập: một sai số nhỏ không ai đo lại có thể làm hỏng cả dự án, nhưng chính việc đo được sai số chính xác lại cho phép sửa nó.
Năm chuyến bảo dưỡng: chiếc kính được nâng cấp trên quỹ đạo
Hubble là kính viễn vọng duy nhất được thiết kế để phi hành gia sửa chữa và thay thiết bị trực tiếp. Các bộ phận được làm theo dạng mô đun có tay nắm, chốt lớn để người mặc đồ du hành thao tác được. Năm chuyến bảo dưỡng đã biến nó thành một chiếc kính khác hẳn so với lúc phóng:
- Tháng 12 năm 1993: sửa lỗi quang học, thay camera chính, pin mặt trời, con quay; thường được coi là chuyến quan trọng nhất.
- Tháng 2 năm 1997: lắp máy quang phổ chụp ảnh mới và camera cận hồng ngoại, mở rộng khả năng quan sát sang hồng ngoại gần.
- Tháng 12 năm 1999: chuyến bay được đưa lên sớm vì nhiều con quay hỏng, Hubble đã phải tạm ngừng quan sát; phi hành đoàn thay toàn bộ sáu con quay và máy tính chính.
- Tháng 3 năm 2002: lắp Camera Khảo sát Tiên tiến, nâng mạnh khả năng chụp trường rộng; thay pin mặt trời thế hệ mới.
- Tháng 5 năm 2009: chuyến cuối cùng lắp Camera Trường rộng 3 và máy quang phổ nguồn gốc vũ trụ, sửa hai thiết bị hỏng ngay trên quỹ đạo, việc trước đó chưa từng làm vì thiết bị không được thiết kế để mở ra sửa.
Chuyến bay năm 2009 suýt không diễn ra. Sau thảm hoạ tàu Columbia năm 2003, NASA từng huỷ chuyến bảo dưỡng cuối vì lo ngại an toàn, do tàu tới Hubble không thể trú ẩn ở Trạm Vũ trụ Quốc tế nếu gặp sự cố. Sau tranh luận rộng rãi trong giới khoa học và công chúng, quyết định được xem xét lại và chuyến bay được khôi phục với một tàu dự phòng sẵn sàng phóng cứu hộ.
Những đóng góp khoa học lớn
Đo tốc độ giãn nở của vũ trụ. Một trong những mục tiêu đặt ra từ đầu là đo hằng số Hubble, đại lượng cho biết vũ trụ giãn nở nhanh tới đâu. Dự án quan sát trọng điểm công bố kết quả đầu thập niên 2000 thu hẹp sai số xuống khoảng mười phần trăm, so với mức chênh tới gấp đôi giữa các phép đo trước đó. Các phép đo chính xác hơn về sau của Hubble lại cho giá trị khác với giá trị suy từ bức xạ nền vũ trụ, tạo ra một câu hỏi mở được gọi là “căng thẳng Hubble”.
Năng lượng tối. Năm 1998, hai nhóm nghiên cứu độc lập quan sát các vụ nổ siêu tân tinh xa và phát hiện vũ trụ đang giãn nở nhanh dần, dẫn tới khái niệm năng lượng tối. Hubble góp phần quan sát các siêu tân tinh ở khoảng cách rất xa, củng cố kết luận này; phát hiện được trao giải Nobel Vật lý năm 2011.
Ảnh trường sâu. Tháng 12 năm 1995, Hubble hướng vào một mảng trời nhỏ tưởng như trống rỗng trong khoảng mười ngày. Bức ảnh Hubble Deep Field cho thấy hàng nghìn thiên hà, nhiều thiên hà ở rất xa, tức ánh sáng của chúng đã đi trong thời gian rất dài. Các ảnh trường sâu tiếp theo mở ra nghiên cứu về cách thiên hà hình thành và tiến hoá.
Lỗ đen ở tâm thiên hà. Quan sát chuyển động của sao và khí ở tâm nhiều thiên hà giúp củng cố quan niệm rằng phần lớn thiên hà lớn có lỗ đen siêu khối lượng ở tâm, và khối lượng lỗ đen liên quan tới tính chất của thiên hà chủ.
Trong hệ Mặt Trời. Năm 1994, Hubble theo dõi các mảnh của sao chổi Shoemaker–Levy 9 va vào Sao Mộc, sự kiện va chạm giữa các thiên thể trong hệ Mặt Trời lần đầu được quan sát trực tiếp với độ chi tiết cao.
Hubble và James Webb: kế nhiệm hay bổ sung
Kính viễn vọng không gian James Webb, phóng ngày 25 tháng 12 năm 2021, thường được gọi là “người kế nhiệm Hubble”. Cách gọi này chỉ đúng một phần. Webb có gương chính đường kính khoảng 6,5 m, lớn hơn nhiều, và được tối ưu cho tia hồng ngoại, giúp nhìn thấy những thiên hà rất xa có ánh sáng bị kéo dài sang hồng ngoại, cũng như nhìn xuyên bụi vũ trụ. Webb đặt ở xa Trái Đất, quanh một điểm cân bằng lực hấp dẫn cách khoảng 1,5 triệu km, nên không thể được sửa bằng tàu có người lái.
Hubble vẫn có lợi thế riêng ở dải tử ngoại và khả kiến, nơi Webb không quan sát. Vì vậy hai kính được dùng phối hợp: cùng một thiên thể có thể được quan sát bởi cả hai ở các bước sóng khác nhau để có bức tranh đầy đủ. Hubble dự kiến tiếp tục hoạt động tới khoảng thập niên 2030, tuỳ tình trạng thiết bị. Quỹ đạo của nó sẽ dần hạ thấp do lực cản của khí quyển mỏng; phương án đưa kính vào khí quyển an toàn hoặc nâng quỹ đạo vẫn đang được các cơ quan liên quan cân nhắc.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao đặt kính viễn vọng ngoài không gian?
Khí quyển Trái Đất làm ánh sáng sao rung rinh, làm ảnh nhoè, và hấp thụ phần lớn tia tử ngoại, một phần tia hồng ngoại. Đặt kính trên khí quyển loại bỏ các vấn đề này. Ngày nay kính mặt đất có quang học thích ứng đã bù được một phần rung động, nhưng vẫn không quan sát được dải tử ngoại.
Ảnh màu của Hubble có phải màu thật không?
Hubble chụp ảnh đen trắng qua các bộ lọc ở những bước sóng khác nhau. Các nhà xử lý ảnh gán màu cho từng bộ lọc rồi ghép lại. Có ảnh dùng màu gần với mắt người, có ảnh dùng màu đại diện để làm nổi các nguyên tố như hydro, oxy, lưu huỳnh. Màu vì thế là màu khoa học, không phải ảnh chụp như máy ảnh thường.
Bức ảnh Những cột trụ sáng tạo là gì?
Đó là ảnh chụp năm 1995 một vùng khí và bụi trong tinh vân Đại Bàng, nơi sao mới đang hình thành. Bức ảnh trở thành một trong những hình ảnh khoa học nổi tiếng nhất thế kỷ 20. Hubble chụp lại vùng này năm 2014 với camera tốt hơn, và Webb chụp ở hồng ngoại năm 2022.
Ai được dùng Hubble để quan sát?
Các nhà thiên văn trên thế giới gửi đề xuất quan sát; một hội đồng khoa học xét duyệt hằng năm và chỉ một phần nhỏ đề xuất được chấp nhận. Dữ liệu sau một thời gian giữ quyền ưu tiên sẽ được công bố trong kho lưu trữ công khai để mọi người nghiên cứu.
Có thể nhìn thấy Hubble bằng mắt thường không?
Có thể, trong điều kiện thuận lợi, Hubble hiện ra như một chấm sáng di chuyển nhanh qua bầu trời sau hoàng hôn hoặc trước bình minh, giống các vệ tinh khác. Vì quỹ đạo nghiêng khoảng 28 độ, Hubble dễ thấy hơn ở các vùng gần xích đạo, trong đó có Việt Nam.