Khám Phá Công Nghệ Thấu Kính Khổng Lồ Từ Mặt Trời Trong Khám Phá Vũ Trụ

Hiện tại, những bức ảnh về các hành tinh ngoài Hệ Mặt Trời mà chúng ta có chỉ là những chấm sáng mờ nhạt, không thể hiện rõ ràng đặc điểm bề mặt của chúng.

Để nhìn rõ bề mặt của một hành tinh có thể có nước hay những đường bờ biển, việc chúng ta cần làm là phát triển những công cụ quang học mạnh mẽ hơn. Nhưng một câu hỏi đặt ra là: Để thu được hình ảnh rõ nét của một hành tinh cách hàng chục năm ánh sáng, chúng ta cần phải có một kính thiên văn lớn như thế nào?

Câu trả lời cho câu hỏi này là một bất ngờ cho nhiều người. Độ phân giải chi tiết của hình ảnh phụ thuộc vào kích thước của gương chính của kính thiên văn. Để có thể thu được chỉ 100 điểm ảnh của một hành tinh ở khoảng cách hàng chục năm ánh sáng, khẩu độ của gương chính cần phải đạt tới 160 km.

Để hình dung, gương chính của kính thiên văn James Webb hiện chỉ rộng 6,5 mét, cho thấy sự chênh lệch quy mô quá lớn. Những giải pháp như sử dụng mảng kính thiên văn giao thoa trên Mặt Trăng cũng không khả thi do lượng ánh sáng thu được quá ít, dẫn đến việc cần thời gian phơi sáng dài hàng trăm năm.

Bằng cách tiếp tục cải tiến những chiếc gương lớn hơn, con người chỉ có thể phân tích quang phổ của những điểm sáng. Để thực sự nhìn thấy một thế giới khác, cần có một sự thay đổi trong tư duy khoa học.

Giải pháp cho vấn đề này đã được Albert Einstein chỉ ra cách đây một thế kỷ. Theo thuyết tương đối tổng quát, khối lượng lớn có thể cong không gian và thời gian, khiến ánh sáng gần nó bị lệch hướng. Hình ảnh về nhật thực năm 1919 do Arthur Eddington ghi nhận đã chứng minh cho điều này.

Nếu Mặt Trời có thể bẻ cong và tập trung ánh sáng theo hướng nhất định, nó trở thành một thấu kính khổng lồ với đường kính 1,39 triệu km. Tại dải sóng 1 micromet, thấu kính hấp dẫn từ Mặt Trời có thể phóng đại độ sáng lên tới 100 tỷ lần, cho phép đạt độ phân giải góc đến 10 mũ âm 10 giây cung, vượt xa mọi thiết bị nhân tạo hiện có.

Tuy nhiên, một thách thức lớn là tiêu điểm của thấu kính này nằm rất xa. Ánh sáng gần Mặt Trời bị bẻ cong mạnh, chùm sáng hội tụ tại nhiều độ cao khác nhau, tạo thành một đường tiêu cự kéo dài từ 547 đơn vị thiên văn (AU) ra vô tận. Mốc 548 AU cách xa gấp hơn 13 lần quỹ đạo của Sao Diêm Vương, và tàu Voyager 1 vẫn chưa đạt được một phần ba khoảng cách này sau gần nửa thế kỷ di chuyển.

Nhờ sự tài trợ từ chương trình NIAC của NASA, nhà vật lý Slava Turyshev tại JPL đã thành công trong việc giải các phương trình cơ học lượng tử ở vùng tiêu điểm hấp dẫn, biến ý tưởng này thành hiện thực.

Theo nghiên cứu NIAC, ánh sáng từ hành tinh mục tiêu sẽ được nén thành một cột ánh sáng có đường kính 1,3 km, tạo ra hiệu ứng vòng Einstein. Tàu vũ trụ sẽ di chuyển trong cột sáng này và thu thập dữ liệu để tái tạo bản đồ bề mặt của hành tinh.

Với một kính thiên văn cỡ mét được trang bị kính nhãn quang dập ánh sáng Mặt Trời, hệ thống có khả năng tạo hình ảnh với độ phân giải khoảng 25 km sau khi quan sát một hành tinh cách 98 năm ánh sáng trong thời gian 6 tháng (hoặc 10 km trong điều kiện lý tưởng).

Độ phân giải này cho phép người quan sát có thể nhận diện rõ ràng các đại dương, lục địa, băng ở cực và các dãy núi lớn. Kỹ sư Nitin Arora của NASA đã khẳng định công chúng sẽ có cơ hội nhìn thấy hồ nước, đại dương và núi đồi trên hành tinh đó.

Thách thức lớn nhất vẫn là khoảng cách 548 AU. Các tên lửa hóa học truyền thống sẽ mất hàng trăm năm để di chuyển. NIAC đã đề xuất giai đoạn 3 với cách tiếp cận mới: dùng cánh buồm Mặt Trời, cho phép tàu vũ trụ lao sát điểm cận nhật, rồi mở 16 cánh buồm mỏng, sử dụng áp suất ánh sáng để tăng tốc lên 150 km/giây, rút ngắn thời gian hành trình xuống còn vài thập kỷ.

Để giảm chi phí và phân chia rủi ro, kế hoạch cũng chuyển sang sử dụng đàn vệ tinh nhỏ, cho phép quan sát nhiều hành tinh đồng thời và giảm thiểu tình trạng mây che phủ. Turyshev cũng đang thúc đẩy dự án Sundiver nhằm rút ngắn thời gian bay xuống 20 năm.

Khác với phương pháp vi thấu kính hấp dẫn thụ động chỉ quan sát ngẫu nhiên, sứ mệnh thấu kính hấp dẫn Mặt Trời là một cuộc thám hiểm chủ động, nhằm quan sát lâu dài một hành tinh tiềm năng.

Dù còn nhiều vấn đề cần giải quyết như độ chính xác cao gấp 100 lần hiện tại, công nghệ theo dõi quỹ đạo hành tinh hay cách loại bỏ hiệu ứng nhiễu từ Mặt Trời, dự án này hứa hẹn mở ra một chương mới cho lĩnh vực thiên văn học.

Ý tưởng này đã được đề xuất lần đầu tiên bởi Claudio Maccone vào năm 1993 nhưng không được chấp thuận. Giờ đây, với những tiến bộ kỹ thuật, ý tưởng này đang dần trở thành hiện thực. Chỉ cần một thiết bị nhân tạo chạm tới khoảng cách 548 AU, câu hỏi về sự sống ngoài Trái Đất sẽ không còn là lý thuyết mờ mịt mà trở thành một quan sát cụ thể.