Năm 1995, Kính Hubble chĩa 10 ngày vào khoảng trời tối đen và hé lộ gần 3.000 thiên hà cổ đại

Từ ngày 18 đến ngày 28 tháng 12 năm 1995, trong suốt khoảng 150 vòng quay quanh Trái Đất, Kính viễn vọng không gian Hubble liên tục hướng ống kính vào một khoảng trời đen đặc thuộc chòm sao Đại Hùng để chụp vùng mục tiêu. Vùng quan sát này bao phủ một góc trời rất hẹp có cạnh khoảng 2,6 phút cung, tương đương kích thước của một quả bóng tennis khi nhìn từ khoảng cách 100 mét. [1]

Để tạo nên bức ảnh sau này được gọi là Hubble Deep Field, chuỗi quan sát được chia nhỏ thành 342 lần phơi sáng riêng biệt trong 10 ngày liên tục. [1]

Giám đốc Robert Williams đã quyết định dành trọn chuỗi quan sát của Hubble vào khoảng không vô định. [1]

Vết thương quang sai và đặc quyền của người giám đốc

Trước khi Hubble rời bệ phóng năm 1990, các kính viễn vọng mặt đất chỉ nhìn thấy được các thiên hà cách xa tối đa khoảng 7 tỷ năm ánh sáng. Vị trí lơ lửng trên tầng khí quyển giúp Hubble tránh được hiện tượng khí quang, cho phép chụp ảnh ở dải khả kiến và tử ngoại nhạy hơn các kính viễn vọng dưới mặt đất. Thế nhưng, khi vừa phóng lên quỹ đạo năm 1990, gương kính viễn vọng đã dính lỗi quang sai hình cầu. Dù mang khiếm khuyết này, Hubble vẫn chụp được các thiên hà xa hơn mọi kính viễn vọng trước đó, song sai số chế tạo đã đẩy dự án vào áp lực nặng nề. [8][1]

Bước ngoặt giải cứu cỗ máy diễn ra vào năm 1993, khi phi hành đoàn tàu con thoi bay lên quỹ đạo trong sứ mệnh STS-61. Lỗi quang sai hình cầu của Hubble đã được khắc phục hoàn toàn trong chuyến bay này, trả lại cho đài quan sát không gian độ sắc nét đúng như thiết kế. [1]

Tại Viện Khoa học Kính viễn vọng Không gian, Giám đốc Robert Williams nắm trong tay một công cụ quyền lực: Thời gian Toàn quyền của Giám đốc (DD Time). Quỹ thời gian này chiếm tối đa 10% thời lượng quan sát của kính, nhưng thông lệ bấy lâu thường chỉ cấp nó cho các hiện tượng bất thường nhất thời, chẳng hạn như những vụ nổ siêu tân tinh bất ngờ lóe sáng. [1]

Bất chấp lối mòn an toàn, ông quyết định dành một phần đáng kể quỹ thời gian toàn quyền của năm 1995 để nghiên cứu các thiên hà xa xôi. Trong Chu kỳ 5 (Cycle 5), chương trình Quan sát Toàn quyền của Giám đốc được kích hoạt với mục tiêu chụp sâu nhất có thể ở bốn dải thông. [1][2]

Để cỗ máy có thể gom được những hạt ánh sáng yếu ớt nhất từ thời hồng hoang, ống kính bắt buộc phải tìm thấy một cánh cửa sổ hoàn toàn trống rỗng. Giữa một dải Ngân Hà bạt ngàn sao và bụi bặm, làm sao để nhóm nghiên cứu định vị được một khoảng trời thực sự đen đặc?

Cuộc lùng sục tìm một lỗ kim tối đen trên bầu trời

Ủy ban Cố vấn Viện đặc biệt khuyến nghị sử dụng WFPC2 để chụp một khoảng trời «điển hình» ở vĩ độ thiên hà cao qua nhiều bộ lọc quang học. Ở những vĩ độ thiên hà thấp, bụi và vật chất che khuất trong mặt phẳng đĩa Dải Ngân Hà sẽ chắn tầm nhìn hướng tới các thiên hà xa xôi. Vùng chụp mục tiêu cũng phải né tránh mọi nguồn sáng nhìn thấy đã biết cùng bức xạ hồng ngoại, tử ngoại và tia X để hỗ trợ các nghiên cứu đa bước sóng sau này. [1]

Để việc thu nhận ánh sáng không bị ngắt quãng, nhóm nghiên cứu quyết định mục tiêu phải nằm trong các vùng quan sát liên tục của Hubble, nơi quỹ đạo di chuyển không bị Trái Đất hoặc Mặt Trăng che khuất. Nhóm chọn tập trung vào vùng quan sát liên tục phía bắc để các kính viễn vọng lớn ở bán cầu bắc như Keck, Kitt Peak và đài vô tuyến VLA có thể cùng quan sát tiếp ứng. [1]

Từ hai mươi trường thỏa mãn các tiêu chí ban đầu, ba trường ứng viên tối ưu đã được lựa chọn và tất cả đều nằm trong chòm sao Đại Hùng. Tuy nhiên, một ảnh chụp nhanh vô tuyến từ hệ thống VLA đã nhanh chóng loại bỏ một trong ba ứng viên vì phát hiện nó chứa một nguồn vô tuyến sáng. Quyết định lựa chọn giữa hai khoảng trống còn lại hoàn toàn phụ thuộc vào việc bố trí các điểm tựa trên bầu trời. [1]

Sự sẵn có của các ngôi sao dẫn đường lân cận đã định đoạt kết quả này. Các quan sát bình thường của Hubble chỉ cần một cặp sao lân cận để Cảm biến Định hướng Tinh vi khóa mục tiêu trong suốt thời gian phơi sáng. Nhưng do tầm quan trọng của dự án HDF, nhóm công tác đã đưa ra yêu cầu khắt khe hơn: bắt buộc phải có thêm một bộ sao dẫn đường dự phòng thứ hai. [1]

Mảnh trời duy nhất đáp ứng trọn vẹn bộ tiêu chí nằm ở tọa độ xích kinh 12h 36m 49,4s và xích vĩ +62° 12′ 58″. Trường quan sát được chọn có độ rộng khoảng 2,6 phút cung, chỉ bằng 1/12 đường kính Mặt Trăng và chiếm khoảng một phần 24 triệu tổng diện tích bầu trời. [1]

Mười ngày đêm bóc tách từng hạt ánh sáng

Từ ngày 18 đến 30 tháng 12 năm 1995, Robert Williams cùng các cộng sự bắt đầu chiến dịch quan sát HDF. Để thu nhận tín hiệu tốt nhất, nhóm nghiên cứu chủ ý sử dụng các bộ lọc có dải thông ít chồng lấn lên nhau nhất có thể. Bốn bộ lọc dải rộng được lựa chọn có bước sóng trung tâm lần lượt ở mức 300 nm đối với vùng cận tử ngoại, 450 nm cho màu lam, 606 nm cho màu đỏ và 814 nm thuộc vùng cận hồng ngoại. Tổng thời gian phơi sáng của kính kéo dài suốt 42,7 giờ ở bước sóng 300 nm, 33,5 giờ ở 450 nm, 30,3 giờ ở 606 nm và 34,3 giờ ở 814 nm. [2][1]

Thế nhưng, việc gom nhặt những hạt photon mong manh nhanh chóng vấp phải ma trận nhiễu loạn trên quỹ đạo. Vết của các mảnh vụn không gian và vệ tinh nhân tạo in hằn trên những khung hình gốc, đòi hỏi nhóm phải loại bỏ cẩn thận. Cùng lúc đó, các hạt tia vũ trụ va đập vào cảm biến tạo nên những điểm ảnh sáng chói, buộc họ phải loại bỏ chúng bằng cách so sánh các khung hình phơi sáng có độ dài bằng nhau được chụp liên tiếp. Ngay cả ánh sáng tán xạ từ Trái Đất cũng xuất hiện trong khoảng một phần tư số khung hình dữ liệu, để lại vệt hình chữ «X» rõ rệt. Để xử lý vệt sáng này, nhóm nghiên cứu căn chỉnh ảnh bị tán xạ với ảnh không bị ảnh hưởng, rồi trừ bức ảnh sạch khỏi ảnh nhiễm sáng. [1]

Thách thức kỹ thuật kế tiếp nằm ở giới hạn vật lý của cảm biến máy ảnh WFPC2, khi mỗi pixel trên chip CCD ban đầu chỉ ghi nhận một vùng trời có kích thước 0,09 giây cung. Độ phân giải thô sơ này chưa đủ sắc nét để phân biệt ranh giới của những thiên hà xa xôi nhất. Nhằm vượt qua rào cản, các nhà khoa học tham gia dự án đã tiên phong phát triển kỹ thuật «drizzling», dịch chuyển nhẹ hướng ngắm của kính viễn vọng giữa các lần phơi sáng. Nhờ kỹ thuật ghép ảnh đột phá này, các bức ảnh sau khi xử lý đạt kích thước pixel cuối cùng là 0,03985 giây cung, nâng cao đáng kể độ phân giải góc cho toàn bộ khung cảnh. [1]

Quy trình xử lý tỉ mỉ đã cho ra bốn bức ảnh đơn sắc tương ứng với các bước sóng 300 nm, 450 nm, 606 nm và 814 nm. Ba bức ảnh ở bước sóng 814 nm, 606 nm và 450 nm sau đó lần lượt được gán ba kênh màu đỏ, lục, lam để tổng hợp thành một bức ảnh màu hoàn chỉnh. Màu sắc trong bức ảnh ghép cuối cùng chỉ là đại diện xấp xỉ, bởi việc lựa chọn bộ lọc nhằm tối đa hóa hiệu quả nghiên cứu khoa học chứ không mô phỏng cơ chế thị giác của mắt người. [1]

Chấn động San Antonio và món quà gửi toàn nhân loại

Thông lệ nghiên cứu bấy lâu thúc đẩy các nhóm thiên văn giữ kín dữ liệu quan sát nhằm bảo đảm quyền ưu tiên xuất bản công trình riêng. Nhưng Robert Williams đã chọn một hướng đi hoàn toàn trái ngược. Thay vì giữ làm của riêng, ông quyết định biến toàn bộ dữ liệu thô lẫn dữ liệu đã qua xử lý của dự án HDF thành một dịch vụ công ích, công khai hoàn toàn cho cộng đồng khoa học quốc tế. [2]

Ngày 15 tháng 1 năm 1996, tại cuộc họp lần thứ 187 của Hiệp hội Thiên văn học Hoa Kỳ ở San Antonio, bang Texas, bức ảnh HDF chính thức được công bố. Tấm hình ra mắt hôm ấy được ghép từ 276 khung hình đã xử lý xong trong tổng số 342 khung hình đã chụp. Mẩu trời hiển thị trước hội trường chỉ bằng 1/30 đường kính Mặt Trăng tròn và chiếm khoảng 25% diện tích toàn bộ vùng khảo sát HDF. [1][6]

Khoảng không vốn được coi là tối đen, hoang vu đã làm chấn động giới thiên văn khi hé lộ vô số thiên hà xa xôi và mờ nhạt. Có khoảng 3.000 thiên hà riêng biệt được nhận dạng trong bức ảnh, trải dài từ những thiên hà xoắn ốc đến các thiên hà bất định hình, dù một số thiên hà xa xôi chỉ rộng vài pixel. Trái ngược với nguy cơ bị che khuất bởi các thiên thể gần, bức ảnh chỉ chứa chưa đầy hai mươi ngôi sao tiền cảnh của Dải Ngân Hà, trong đó vật thể tương đối sáng có các tia nhiễu xạ nằm ngay bên trái trung tâm ảnh có thể là một ngôi sao cấp 20. [1][6]

Hầu như toàn bộ 3.000 vật thể còn lại đều là các thiên hà, bao gồm những cấu trúc thuộc nhóm trẻ nhất và xa nhất từng được ghi nhận. Một số thiên hà xa xôi mờ tới cấp sao 30, tức mờ hơn gần bốn tỷ lần so với giới hạn nhìn thấy của mắt người. Bằng việc phơi bày số lượng lớn thiên hà rất trẻ, HDF đã trở thành một dấu mốc lịch sử trong việc nghiên cứu vũ trụ sơ khai, giúp bài báo khoa học liên quan nhận được hơn 900 lượt trích dẫn tính đến cuối năm 2014. [1][6]

Lật nhào những giả thuyết về vũ trụ thuở hồng hoang

Trước khi có bức ảnh HDF, nhân loại hầu như chưa từng biết đến thiên hà nào có độ lệch đỏ lớn hơn 1, dù đã ghi nhận các chuẩn tinh có độ lệch đỏ cao. Nhưng trong mẩu trời của Williams, hàng loạt thiên hà sở hữu độ lệch đỏ lên tới 6, tương ứng với khoảng cách khoảng 12 tỷ năm ánh sáng. Một số thiên hà trong số đó có thể đã hình thành chưa đầy một tỷ năm sau Vụ Nổ Lớn. Do độ lệch đỏ quá lớn, các thiên hà xa xôi nhất mang tên Lyman-break thậm chí không thể nhìn thấy trong ảnh khả kiến của Hubble mà phải nhờ đến các kính thiên văn mặt đất mới phát hiện được. [1][6]

Dữ liệu HDF phơi bày một vũ trụ thuở hồng hoang đầy biến động. Các thiên hà trong ảnh chứa tỷ lệ thiên hà bị xáo trộn và mang hình dạng bất định hình cao hơn nhiều so với vũ trụ lân cận, bởi va chạm diễn ra phổ biến hơn hẳn vào thời kỳ vũ trụ còn nhỏ hẹp. Từ những manh mối này, giới thiên văn học tin rằng các thiên hà elip khổng lồ được hình thành khi các thiên hà xoắn ốc và bất định hình va chạm với nhau. Dựa vào đặc tính quang phổ—khi các vật thể xanh hơn chứa sao trẻ hoặc ở gần hơn, còn vật thể đỏ hơn chứa quần thể sao già hơn hoặc nằm ở khoảng cách xa hơn —các nhà khoa học nhận định tốc độ hình thành sao đã đạt đỉnh cách đây 8–10 tỷ năm và suy giảm khoảng mười lần kể từ thời kỳ đó. [1][6]

Hàng loạt chi tiết lạ lùng khác tiếp tục xuất hiện khi các nhà nghiên cứu nhận ra khoảng năm mươi vật thể dạng điểm màu xanh lam liên kết với các thiên hà gần, uốn lượn tạo thành những chuỗi và vòng cung, có thể là các vùng tạo sao mãnh liệt. Ban đầu, các nhà thiên văn loại trừ khả năng những vật thể này là sao lùn trắng vì chúng quá xanh so với lý thuyết tiến hóa sao lùn trắng thịnh hành thời đó. Mãi sau này, các nghiên cứu gần đây hơn mới phát hiện nhiều sao lùn trắng thực sự trở nên xanh hơn khi già đi, củng cố giả thuyết rằng HDF có thể chứa những tàn dư này. [1]

Kho báu dữ liệu từ chòm Đại Hùng còn giáng một đòn quyết định vào cuộc tranh luận về vật chất tối—thành phần dường như không thể phát hiện trực tiếp nhưng được các quan sát ngụ ý chiếm khoảng 85% tổng khối lượng vật chất trong vũ trụ. Giới thiên văn từng đặt nhiều kỳ vọng vào giả thuyết cho rằng vật chất tối cấu thành từ các thiên thể đặc gọi là MACHO ẩn náu ở vùng ngoài Ngân Hà. Thế nhưng, việc ảnh HDF hoàn toàn không tìm thấy lượng lớn sao lùn đỏ ở vùng ngoài của Ngân Hà đã bác bỏ giả thuyết MACHO. [1]

Từ mẩu trời Đại Hùng đến những hố sâu không đáy

Để kiểm chứng mẩu trời Đại Hùng là hiện tượng cá biệt hay bức tranh chung của toàn thể vũ trụ, kính Hubble tiếp tục dành mười quỹ đạo để chụp phơi sáng ngắn các trường lân cận nhằm hỗ trợ quan sát nối tiếp bằng các thiết bị khác. Ba năm sau đợt khảo sát đầu tiên, một vùng ở thiên cầu nam được ghi hình theo cách tương tự và đặt tên là Hubble Deep Field South. Sự tương đồng giữa hai vùng trời ở hai bán cầu đã củng cố nguyên lý vũ trụ học: vũ trụ là đồng nhất trên quy mô lớn và Trái Đất chỉ nằm trong một vùng điển hình. [1][6]

Năm 2004, giới nghiên cứu tiến sâu hơn vào bóng tối vũ trụ khi bức ảnh Hubble Ultra-Deep Field (HUDF) ra đời sau vài tháng phơi sáng. Đợt quan sát kéo dài một triệu giây này nhắm vào vùng trời rộng 11 phút cung vuông trong chòm sao Thiên Lô ở thiên cầu nam, vị trí được chọn để các kính mặt đất như ALMA có thể cùng tham gia nghiên cứu. Danh mục khoa học do nhóm của Beckwith công bố từ bức ảnh chứa ít nhất 10.000 vật thể, hé lộ rằng rất hiếm hoặc gần như không có thiên hà nào ở độ lệch đỏ lớn hơn khoảng 4 mang hình dạng xoắn ốc hay elip như ngày nay. Các mẫu thiên hà có độ lệch đỏ cao nhất trong HUDF chứng minh sự hình thành sao từng diễn ra dữ dội khi vũ trụ chưa đầy một tỷ năm tuổi. Kính ALMA sau đó dành khoảng 50 giờ quan sát vùng trời này—thời lượng kỷ lục cho một vùng trời của ALMA tính đến năm 2016—và xác nhận lượng khí trong các thiên hà tăng nhanh khi nhìn ngược thời gian, dẫn tới đợt bùng nổ hình thành sao cách đây 10 tỷ năm. [1][3][7]

Đỉnh cao của hành trình nhìn ngược thời gian là bức ảnh eXtreme Deep Field (XDF), được tạo thành bằng cách kết hợp mười năm quan sát của Hubble tại một khoảnh trời thuộc vùng HUDF gốc. Với tổng thời gian phơi sáng khoảng 2 triệu giây, tương đương 23 ngày gom sáng trải dài qua 50 ngày làm việc của kính, bức ảnh thu nhận khoảng 5.500 thiên hà dù trường nhìn hẹp hơn, trong đó đốm sáng mờ nhất chỉ bằng một phần mười tỷ độ sáng mắt thường nhìn thấy. Trong khi vũ trụ có độ tuổi 13,7 tỷ năm, XDF đã ghi lại các thiên hà tồn tại cách đây 13,2 tỷ năm, với thiên hà trẻ nhất xuất hiện chỉ 450 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn. [8]

Nguồn

1. Hubble Deep Field (Wikipedia) (en.wikipedia.org, bách khoa)
2. [astro-ph/9607174] The Hubble Deep Field: Observations, Data Reduction, and Galaxy Photometry (arxiv.org, nguồn gốc)
3. [astro-ph/0607632] The Hubble Ultra Deep Field (arxiv.org, nguồn gốc)
4. Astronomical data analysis software and systems IX : proceedings of a meeting held at the Hilton Waikoloa Village, Hawaii, USA, 3-6 October, 1999 : Astronomical Data Analysis Software and Systems (Con (archive.org, nguồn gốc)
5. MERLIN Observations of the Hubble Deep Field (web.archive.org, bài viết)
6. HubbleSite - NewsCenter - Hubble's Deepest View of the Universe Unveils Bewildering Galaxies across Billions of Years (01/15/1996) - Release Images (web.archive.org, bài viết)
7. ALMA Explores the Hubble Ultra Deep Field | ESO (web.archive.org, bài viết)
8. Hubble goes to the eXtreme to assemble the deepest ever view of the Universe | ESA/Hubble (web.archive.org, bài viết)
9. HubbleSite - NewsCenter - Hubble Goes to the eXtreme to Assemble Farthest Ever View of the Universe (09/25/2012) - Release Images (web.archive.org, bài viết)

Ảnh bìa: NASA · Public domain · Wikimedia Commons. Bố cục và chữ do Trải Nghiệm Sống thực hiện.