Kính thiên văn Roman mở “con mắt” hồng ngoại trong không gian như thế nào?

Sau 10 ngày chờ thiết bị khô và giảm nguy cơ nhiễm bẩn, nhóm vận hành kính thiên văn Nancy Grace Roman mới tắt bộ sưởi rồi kích hoạt 18 detector hồng ngoại. Khi ấy, chúng đã lạnh tới khoảng -143 °C và tiếp tục hạ xuống nhiệt độ vận hành gần -183 °C. Việc “mở mắt” vì thế không phải một lần bật máy đơn giản: đó là chuỗi thao tác có kiểm soát, từ ổn định nhiệt, kiểm tra đường truyền dữ liệu đến thử các bộ phận quang học. [1]

Nhiệt độ rất thấp không ngăn Roman liên lạc với Trái Đất vì thu ánh sáng và truyền dữ liệu là hai nhiệm vụ khác nhau trong cùng hệ thống. Detector cần đạt điều kiện nhiệt thích hợp để ghi nhận tín hiệu hồng ngoại, còn hệ thống điện tử xử lý và gửi dữ liệu thử qua thiết bị để kỹ sư dưới mặt đất đánh giá. Những dữ liệu đầu tiên xác nhận máy ảnh hoạt động, nhưng chưa đồng nghĩa kính đã sẵn sàng tạo ảnh khoa học hoàn chỉnh. [1]

Vì sao Roman phải chờ trước khi bật detector?

Giai đoạn chờ có nhiệm vụ chuẩn bị môi trường cho Wide Field Instrument, gọi tắt là WFI. Trong 10 ngày đầu, detector được giữ ở khoảng -65 °C, tương đối ấm nếu so với nhiệt độ vận hành cuối cùng. Khoảng nghỉ này giúp thiết bị khô và khử nhiễm trước khi nhóm điều khiển cho nó lạnh sâu hơn. Chỉ sau bước đó, bộ sưởi mới được tắt để nhiệt độ hạ dần. [1]

Các detector được kích hoạt khi nhiệt độ đạt khoảng -143 °C, chứ nhóm vận hành không đợi đến mốc cuối cùng gần -183 °C. Trong lúc những phép thử điện tử và quang học diễn ra, chúng vẫn tiếp tục nguội. Trình tự này cho thấy “nhiệt độ bật máy” và “nhiệt độ làm việc ổn định” là hai mốc khác nhau; gộp chúng thành một con số duy nhất sẽ làm sai cách Roman được đưa vào hoạt động. [1]

Một máy ảnh cực lạnh gửi dữ liệu bằng cách nào?

Có thể hình dung WFI như một dây chuyền gồm nhiều công đoạn. Ánh sáng đi tới mảng detector để được ghi nhận; hệ thống hiệu chuẩn tạo điều kiện kiểm tra phản hồi; sau đó dữ liệu đi qua thiết bị và được chuyển xuống nhóm kỹ sư. Đây chỉ là cách phân chia chức năng để dễ hiểu, không phải sơ đồ kỹ thuật đầy đủ của Roman. Điều quan trọng là phần cảm biến lạnh không tự mình đảm nhiệm mọi khâu liên lạc. [1]

Việc làm lạnh cũng không có nghĩa toàn bộ đài quan sát phải ở cùng một nhiệt độ. Roman mang theo Coronagraph, một thiết bị khác dùng để nghiên cứu vùng rất mờ quanh các ngôi sao. Ngoại trừ detector, phần cứng của Coronagraph được thiết kế làm việc gần nhiệt độ phòng, khoảng 22 °C. Hai mức nhiệt cùng tồn tại vì từng bộ phận có yêu cầu vận hành riêng, được quản lý bằng hệ thống kiểm soát nhiệt tương ứng. [1]

Bức ảnh đầu tiên nói lên điều gì?

Những photon ánh sáng sao đầu tiên tới WFI tạo ra một trường sao nhòe, trong đó mỗi ngôi sao trải rộng trên nhiều nghìn điểm ảnh. Hình dạng ấy đã được dự kiến vì mảng detector vẫn ở cấu hình dùng khi phóng và hệ quang học còn xa trạng thái lấy nét tốt nhất. Bức ảnh này chủ yếu cung cấp một mốc ban đầu để nhóm kỹ thuật căn chỉnh quang học và điều chỉnh tiêu điểm. [1]

Vì vậy, ảnh nhòe không nên được đọc như thước đo chất lượng cuối cùng của kính. Khi cơ chế lấy nét được điều chỉnh, ánh sáng của mỗi sao sẽ thu lại thành điểm sắc nét hơn. Hệ thống dẫn hướng chính xác cũng cần được kích hoạt để Roman có thể khóa ổn định vào mục tiêu. Chỉ sau các bước ấy, ảnh mới phù hợp với nhiệm vụ khảo sát khoa học thay vì kiểm tra tình trạng thiết bị. [1]

Bộ lọc và cơ chế lấy nét phải vượt qua phép thử nào?

Một bộ phận đáng chú ý của WFI là bánh xe phần tử, nơi chứa bộ lọc, lăng kính và các thành phần quang học khác. Chúng cho phép lựa chọn những bước sóng đi tới detector hoặc tách ánh sáng từ thiên thể thành các màu riêng. Nhóm vận hành đã cho cơ cấu này chuyển động trong điều kiện không trọng lực lần đầu tiên, nhằm xác nhận rằng bộ phận từng được thử dưới mặt đất vẫn làm việc sau hành trình phóng. [1]

Cơ chế lấy nét cũng được kiểm tra riêng vì Roman dự kiến phải lấy nét cho hàng trăm nghìn ảnh. Bánh xe phần tử quyết định ánh sáng nào được dùng, còn cơ chế lấy nét quyết định ánh sáng ấy hội tụ ra sao trên detector. Hai chức năng liên quan chặt chẽ nhưng không thay thế nhau. Chúng phải được hiệu chuẩn cùng những hệ thống khác trong nhiều tháng trước khi chất lượng ảnh khoa học có thể được đánh giá đúng. [1]

Roman sẽ nhìn rộng đến đâu và Coronagraph làm gì?

Mỗi ảnh của WFI sẽ bao phủ một vùng trời lớn hơn kích thước biểu kiến của Mặt Trăng tròn, đồng thời hướng tới độ sắc nét tương đương các kính không gian như Hubble. Trường nhìn rộng giúp Roman khảo sát nhanh những vùng lớn thay vì chỉ quan sát một khu vực hẹp. Các cuộc khảo sát này được thiết kế để hỗ trợ nghiên cứu hành tinh ngoài Hệ Mặt Trời, năng lượng tối và cách vật chất phân bố trong vũ trụ. [1]

Coronagraph giải một bài toán khác: ánh sáng của ngôi sao sáng hơn rất nhiều so với ánh sáng yếu phản xạ từ hành tinh quay quanh nó. Thiết bị dùng hệ quang học, mặt nạ, cảm biến và gương có thể biến dạng để hạn chế ánh chói của sao, qua đó thử nghiệm công nghệ chụp trực tiếp hành tinh ngoài Hệ Mặt Trời. Trong đợt kiểm tra ban đầu, nhóm mặt đất xác nhận có thể liên lạc và điều khiển các thành phần của thiết bị. [1]

Việc 18 detector nhận ánh sáng và gửi dữ liệu thử về Trái Đất mới xác nhận Roman đã tỉnh dậy đúng cách. Phần khó tiếp theo là biến tín hiệu ban đầu thành phép đo đáng tin cậy: ổn định nhiệt, căn quang học, chỉnh tiêu điểm, khóa mục tiêu và kiểm tra phản hồi của từng cấu hình quan sát. Chính chuỗi hiệu chuẩn ấy sẽ quyết định khi nào “con mắt” hồng ngoại không chỉ nhìn thấy ánh sao, mà còn có thể dùng ánh sáng đó để lập bản đồ vũ trụ. [1]