Vì sao nhân loại cần đặt kính thiên văn ở mặt xa Mặt Trăng?
19/05/26
Từ ngày Karl Jansky tình cờ phát hiện tín hiệu vô tuyến từ Dải Ngân Hà, thiên văn học nhiều lần tiến bộ nhờ những “cánh cửa” quan sát mới. Tuy nhiên, Trái Đất cũng đặt ra giới hạn lớn: khí quyển chặn một số bước sóng, hoạt động của con người tạo nhiễu điện từ khắp nơi. Muốn nghe những tín hiệu cổ xưa nhất của vũ trụ, nhân loại có thể phải làm điều táo bạo hơn: xây kính thiên văn ở mặt xa của Mặt Trăng.
Tiếng nhiễu làm thay đổi thiên văn học
Năm 1929, Bell Labs gặp vấn đề với tuyến điện thoại vô tuyến xuyên Đại Tây Dương. Các cuộc gọi giữa New York và London, lúc này có giá tới 25 USD/phút, liên tục bị nhiễu điện. Công ty giao cho kỹ sư vô tuyến trẻ Karl Jansky tìm nguyên nhân.
Jansky dựng một ăng-ten quay dài khoảng 30 m tại Holmdel, New Jersey. Thiết bị được gọi vui là “vòng quay ngựa gỗ của Jansky”. Sau nhiều tháng đo đạc, ông phát hiện một dạng tiếng rít đều đặn, không đến từ bão địa phương hay nhiễu điện thông thường.
Ban đầu, Jansky nghĩ tín hiệu liên quan đến Mặt Trời. Tuy nhiên, chu kỳ không phải 24h, mà là 23h56’, đúng bằng một ngày thiên văn, tức thời gian Trái Đất quay so với các ngôi sao xa. Điều này nghĩa là tiếng rít không đến từ Mặt Trời, mà từ Dải Ngân Hà.
Năm 1932, thiên văn vô tuyến ra đời gần như tình cờ. Từ bài toán kỹ thuật viễn thông, con người mở ra cách hoàn toàn mới để nghe vũ trụ.
Vũ trụ không hề yên tĩnh
Sau Thế chiến II, các nhà khoa học tận dụng thiết bị radar dư thừa để quan sát bầu trời bằng sóng vô tuyến. Mỗi bước tiến về thiết bị lại đem tới những phát hiện mới, phá vỡ hình dung cũ rằng vũ trụ là khoảng không tĩnh lặng.
Mặt Trời hóa ra đầy biến động, với các vụ phun trào plasma. Quasar được phát hiện là nhân thiên hà giải phóng năng lượng khổng lồ khi vật chất rơi vào hố đen siêu khối lượng. Pulsar, những sao neutron quay cực nhanh, phát ra tín hiệu đều đặn như ngọn hải đăng vũ trụ. Không gian giữa các sao cũng không phải chân không hoàn hảo, mà chứa khí hydro, phân tử hữu cơ, thậm chí amino acid và đường đơn giản.
Vì vậy, thiên văn vô tuyến trở thành một trong những công cụ mạnh nhất để hiểu vũ trụ. Song lại luôn bị giới hạn bởi chính nơi ta đặt kính thiên văn: Trái Đất.
Hai giới hạn của kính thiên văn Trái Đất
Giới hạn đầu tiên là độ phân giải. Với kính vô tuyến, đĩa thu càng lớn thì quan sát càng sắc nét. Tuy nhiên, đĩa đơn không thể lớn mãi vì sẽ sụp dưới trọng lượng của chính nó. Kính FAST của Trung Quốc có đường kính 500 m, nhưng khẩu độ hiệu dụng khoảng 300 m. Gần sát giới hạn cấu trúc của đĩa đơn trên Trái Đất.
Các nhà khoa học vượt qua hạn chế bằng kỹ thuật tổng hợp khẩu độ. Thay vì dùng một đĩa khổng lồ, họ kết nối nhiều kính thiên văn cách xa nhau, rồi dùng máy tính ghép dữ liệu thành một quan sát chung. Event Horizon Telescope, mạng lưới từng chụp ảnh hố đen, thực chất là các kính đặt ở nhiều châu lục, tạo khẩu độ hiệu dụng gần bằng đường kính Trái Đất.
Giới hạn thứ hai khó hơn: khí quyển và nhiễu do con người. Vài bước sóng không xuyên qua khí quyển. Các bước sóng dài trên 30 m, tương ứng tần số dưới 10 MHz, gần như chưa được khám phá vì bị tầng điện ly chặn lại. Trong khi sóng vô tuyến từ vệ tinh, radar, điện thoại, truyền hình và hạ tầng điện tử khiến Trái Đất ngày càng ồn.
Vì sao phải là mặt xa Mặt Trăng?
Không gian có thể tránh khí quyển, nhưng kính thiên văn không gian lại khó đạt độ phân giải như mạng lưới trên mặt đất. James Webb có gương đường kính 6,5 m, còn Event Horizon Telescope có khẩu độ hiệu dụng cỡ hành tinh.
Mặt Trăng có thể giải quyết cả hai vấn đề vì không có khí quyển và luôn quay lưng với Trái Đất, được chính thân Mặt Trăng che chắn khỏi ánh sáng và nhiễu vô tuyến của con người. Bề mặt Mặt Trăng cũng ổn định, ít hoạt động kiến tạo, phù hợp với các phép đo đòi hỏi vị trí cực kỳ chính xác.
Nói cách khác, mặt xa Mặt Trăng là một trong những nơi yên tĩnh nhất trong Hệ Mặt Trời để làm thiên văn vô tuyến. Đây có thể là nơi duy nhất cho phép con người nghiên cứu nghiêm túc các sóng vô tuyến dài chưa từng quan sát được từ mặt đất.
Cánh cửa vào “Thời kỳ Tối” của vũ trụ
Một trong những mục tiêu lớn là quan sát Thời kỳ Tối của vũ trụ, giai đoạn sau Vụ Nổ Lớn nhưng trước khi các ngôi sao đầu tiên hình thành. Lúc này, nguồn sóng vô tuyến là hydro phân tử. Do vũ trụ giãn nở, tín hiệu ấy bị kéo dài về tần số rất thấp.
Dự án FARSIDE, viết tắt của Farside Array for Radio Science Investigations of the Dark ages and Exoplanets, được đề xuất để nghiên cứu chính những tín hiệu. Nếu đo được chúng, các nhà khoa học có thể kiểm tra mô hình giãn nở ban đầu của vũ trụ, thậm chí tìm dấu hiệu của vật lý lạ liên quan đến vật chất tối.
Đây là loại quan sát không thể thực hiện từ Trái Đất; giống như mở một cửa sổ mới vào thời kỳ mà chưa kính thiên văn nào từng nhìn thấy.
Tìm sự sống qua từ trường hành tinh
FARSIDE còn có mục tiêu gần hơn: nghiên cứu từ trường của các hành tinh đá trong phạm vi khoảng 33 năm ánh sáng. Từ trường, hay quyển từ, đóng vai trò bảo vệ bầu khí quyển trước gió sao. Nếu không có quyển từ, khí quyển có thể bị thổi bay theo thời gian.
Điều này quan trọng với câu hỏi về sự sống ngoài Trái Đất. Một hành tinh đá muốn duy trì môi trường sống lâu dài nhiều khả năng cần khí quyển ổn định. Muốn có khí quyển ổn định, cần một lớp bảo vệ trước các hạt năng lượng từ sao mẹ.
Nếu mặt xa Mặt Trăng giúp đo được quyển từ của các ngoại hành tinh, nhân loại sẽ có thêm dữ liệu để ước tính có bao nhiêu thế giới thật sự có thể sống được.
Chi phí không còn là điều bất khả thi
Chỉ vài thập niên trước, dự án như vậy có thể bị xem là quá đắt. Hiện nay, tàu con thoi từng tiêu tốn khoảng 1,8 tỷ USD mỗi lần phóng theo giá. Tuy nhiên, ngành không gian thương mại làm thay đổi phép tính.
Falcon 9 của SpaceX có thể đưa hàng lên quỹ đạo thấp với chi phí thương mại thấp hơn rất nhiều so với tàu con thoi. Falcon Heavy còn rẻ hơn theo mỗi kg hàng hóa. Các tên lửa mới như New Glenn, Starship và các phương tiện hạ cánh Mặt Trăng thương mại có thể tiếp tục giảm chi phí.
FARSIDE ước tính khoảng 1,3 tỷ USD, bao gồm cả phần dự phòng thông thường của NASA. Nếu triển khai theo hợp đồng thương mại giá cố định, đây có thể là khoản đầu tư rất nhỏ so với giá trị khoa học: thấp hơn chi phí của nhiều siêu dự án không gian truyền thống, nhưng mở ra một vùng vũ trụ chưa từng được quan sát.
Bước đầu của đài thiên văn Mặt Trăng
FARSIDE không phải ý tưởng duy nhất. Lunar Crater Radio Telescope đề xuất dùng robot căng dây trong miệng hố Mặt Trăng để tạo đĩa thu đường kính 1 km, có thể trở thành kính đơn lớn nhất Hệ Mặt Trời.
Tuy nhiên, dù là FARSIDE hay LCRT, đây mới chỉ là bước khởi đầu. Về lâu dài, nhân loại có thể cần nhiều mảng kính trên Mặt Trăng, hoạt động ở nhiều bước sóng khác nhau, đủ mạnh để vượt xa mọi công cụ hiện có.
Từ tiếng nhiễu tình cờ Jansky nghe được gần một thế kỷ trước, con người phát hiện hố đen, pulsar, quasar và cấu trúc sâu của vũ trụ. Tuy nhiên, sự im lặng mà ta tưởng nghe thấy có thể chỉ là do thiết bị còn quá hạn chế.
Nếu muốn biết vũ trụ nói gì trong những thời khắc đầu tiên, và liệu có những thế giới khác đủ điều kiện cho sự sống hay không, có lẽ nhân loại phải đặt tai nghe ở nơi yên tĩnh nhất gần Trái Đất: mặt xa Mặt Trăng.
shared via nytimes,
