Kính thiên văn Roman “mở mắt” trong không gian bằng cách nào?

NASA đã kích hoạt thành công Wide Field Instrument, camera hồng ngoại 300 megapixel của Kính thiên văn Không gian Nancy Grace Roman, đồng thời hoàn tất những kiểm tra ban đầu đối với hệ coronagraph săn hành tinh. Tuy nhiên, “mở mắt” ở đây không đơn giản là bật một công tắc: thiết bị phải được làm khô, khử nhiễm, hạ nhiệt, kiểm tra bộ lọc, lấy nét và gửi dữ liệu thử về Trái Đất. [1]

Điểm đáng chú ý của Roman là khả năng ghi một vùng trời lớn hơn kích thước biểu kiến của trăng tròn trong một ảnh mà vẫn giữ được độ chi tiết cao. Hai đặc tính này phục vụ cùng một mục tiêu: thay vì chỉ quan sát kỹ một khu vực nhỏ, kính có thể khảo sát rất nhiều thiên thể trong thời gian hữu ích cho những nghiên cứu quy mô lớn. [1]

Vì sao ảnh rộng vẫn có thể sắc nét?

Trường nhìn và độ phân giải là hai khái niệm khác nhau. Trường nhìn cho biết một ảnh bao phủ bao nhiêu phần bầu trời; độ phân giải cho biết thiết bị có thể phân biệt những chi tiết nằm gần nhau đến mức nào. Một camera không mặc nhiên phải hy sinh độ nét chỉ vì nhìn rộng, miễn là hệ quang học và bề mặt thu sáng được thiết kế để ghi đủ thông tin trên toàn khung hình. [1]

Có thể hình dung bằng một bức ảnh tập thể: khung hình rộng quyết định có bao nhiêu người xuất hiện, còn độ chi tiết quyết định khuôn mặt từng người có rõ hay không. Với Roman, WFI kết hợp trường nhìn rộng với độ sắc nét thường gắn với kính thiên văn không gian như Hubble. Camera gồm 18 detector hồng ngoại, có tổng diện tích nhạy sáng xấp xỉ một màn hình máy tính xách tay. [1]

Con số 300 megapixel mô tả lượng điểm ảnh mà camera có thể ghi, nhưng bản thân nó không giải thích toàn bộ chất lượng quan sát. Để tạo ảnh khoa học hữu ích, ánh sáng còn phải được đưa đúng tới detector, chọn theo bước sóng phù hợp và giữ ổn định khi lấy nét. Vì thế, việc cấp điện mới chỉ là một bước trong chuỗi vận hành. [1]

Tại sao camera phải được làm khô và làm lạnh?

Trước khi bật WFI, nhóm vận hành dành 10 ngày để làm khô và khử nhiễm thiết bị. Trong giai đoạn này, detector được giữ ở khoảng âm 65 độ C, vẫn được xem là tương đối ấm so với nhiệt độ làm việc sau đó. Quy trình giúp hơi nước và các chất dễ bám trên bề mặt có cơ hội rời khỏi những bộ phận nhạy cảm trước khi chúng trở nên rất lạnh. [1]

Sau khi tắt bộ sưởi, nhóm kỹ thuật để WFI hạ xuống khoảng âm 143 độ C rồi kích hoạt 18 detector. Các detector tiếp tục nguội dần về nhiệt độ vận hành cuối cùng, khoảng âm 183 độ C. Với camera hồng ngoại, làm lạnh có ý nghĩa đặc biệt vì chính thiết bị cũng phát ra bức xạ nhiệt; giảm nhiệt độ giúp hạn chế phần tín hiệu do phần cứng tạo ra, nhờ đó ánh sáng yếu từ vũ trụ dễ được nhận biết hơn. [1]

Trình tự này cũng cho thấy trạng thái “đã bật” không đồng nghĩa với “đã sẵn sàng quan sát khoa học”. Nhiệt độ phải thay đổi có kiểm soát, từng detector cần phản hồi đúng và hệ thống hiệu chuẩn phải hoạt động trước khi dữ liệu thu được có thể dùng để đánh giá khả năng của camera. [1]

Ánh sáng đi qua những bước kiểm tra nào?

Sau khi các detector được kích hoạt, nhóm vận hành bật hệ thống hiệu chuẩn rồi truyền dữ liệu thử qua WFI và gửi về Trái Đất. Đây là phép kiểm tra cả một đường đi: detector tạo tín hiệu, thiết bị xử lý tín hiệu, hệ thống liên lạc chuyển dữ liệu và đội mặt đất xác nhận rằng thông tin nhận được có thể đọc, theo dõi và đánh giá. [1]

Một bộ phận quan trọng khác là bánh xe mang các kính lọc, lăng kính và thành phần quang học. Cơ cấu này quyết định những bước sóng nào tới được detector, đồng thời có thể tách ánh sáng của thiên thể thành các thành phần màu. Việc thử bánh xe trong không gian còn đáng chú ý vì đây là lần đầu cơ cấu hoạt động trong điều kiện không có trọng lực như trên mặt đất. [1]

Cơ chế lấy nét cũng được kiểm tra ngay sau đó. Roman dự kiến thu hàng trăm nghìn ảnh, nên sai lệch nhỏ kéo dài qua nhiều lần chụp có thể làm giảm giá trị của cả cuộc khảo sát. Lấy nét ổn định giúp các điểm sáng và cấu trúc thiên thể được ghi nhất quán, tạo điều kiện để so sánh nhiều khu vực hoặc nhiều thời điểm quan sát. [1]

Coronagraph mở một “con mắt” khác ra sao?

Coronagraph Instrument không làm cùng công việc với camera trường rộng. Nó là hệ thống trình diễn công nghệ chụp trực tiếp các hành tinh quay quanh sao khác, sử dụng tổ hợp quang học, mặt nạ, cảm biến và gương có thể biến dạng để hạn chế ánh sáng chói từ ngôi sao. Khi ánh sáng sao bị khống chế, phần ánh sáng yếu hơn nhiều do hành tinh gần đó phản xạ mới có cơ hội hiện ra. [1]

Trong đợt kiểm tra ban đầu, nhóm phụ trách xác nhận có thể liên lạc và điều khiển từ mặt đất các thành phần chính, gồm phần mềm, camera, hệ thống nhiệt và những cơ cấu di chuyển mặt nạ, kính lọc, thấu kính cùng lăng kính. Phần lớn coronagraph được thiết kế hoạt động gần 22 độ C; các detector là ngoại lệ. Nhiệt độ này giúp duy trì đặc tính vật liệu cần thiết cho các gương biến dạng. [1]

Kết quả kiểm tra chưa phải một ảnh hành tinh ngoài Hệ Mặt Trời. Nó xác nhận những lệnh điều khiển và bộ phận thiết yếu đang phản hồi như dự kiến. Coronagraph vẫn cần giai đoạn khử nhiễm và hiệu chuẩn trước khi khả năng che ánh sáng sao được đánh giá trong hoạt động quan sát thực tế. [1]

Roman sẽ nhìn thấy điều gì khi bắt đầu khảo sát?

Trường nhìn rộng cho phép Roman ghi nhiều thiên hà và nguồn sáng trong mỗi lần chụp, còn độ phân giải cao giúp giữ lại những chi tiết cần thiết để phân tích. Khi các ảnh được ghép thành khảo sát lớn, giới thiên văn có thể nghiên cứu cách vật chất phân bố trong vũ trụ và tìm dấu hiệu liên quan đến vật chất tối cùng năng lượng tối. [1]

Roman cũng được kỳ vọng hỗ trợ nghiên cứu các hành tinh ngoài Hệ Mặt Trời. WFI đảm nhiệm những khảo sát rộng, trong khi coronagraph thử nghiệm kỹ thuật tách ánh sáng hành tinh khỏi ánh sáng sao chủ. Đây là hai cách nhìn bổ sung: một bên thu thập lượng lớn mục tiêu, bên kia tập trung vào bài toán tương phản ánh sáng đặc biệt khó. [1]

Theo kế hoạch được NASA công bố trong đợt kích hoạt, những ảnh khoa học đầu tiên dự kiến được phát hành vào đầu năm 2027. Cho đến lúc đó, các bước làm lạnh, hiệu chuẩn và thử cơ cấu tiếp tục biến một hệ thống đã nhận điện thành một đài quan sát có thể đo đạc ổn định. “Mở mắt” vì thế là cả quá trình dạy kính nhận ánh sáng, kiểm soát chính nó và chuyển những gì nhìn thấy về Trái Đất. [1]