Ngắm cõi vô cùng, ta thấy mình hữu hạn

Cụm 5 thiên hà Stephan's Quintet do James Webb chụp. Ảnh: NASA/ESA/CSA/STScI

Ngoài thỏa mãn trí tò mò của nhân loại về những nơi xa xôi nhất của vũ trụ, những hình ảnh từ kính thiên văn tối tân mở ra một khả năng chưa từng có để nghiên cứu sự sống ngoài Trái đất.

"[Đây là] hình ảnh hồng ngoại sâu và sắc nét nhất của vũ trụ xa xôi cho đến nay" - NASA tuyên bố về những hình ảnh đầu tiên James Webb chụp cụm thiên hà SMACS 0723 nằm cách Trái đất khoảng 4 tỉ năm ánh sáng. Những hình ảnh đầu tiên được Tổng thống Mỹ Joe Biden công bố ngày

11-7, và phần còn lại của bộ sưu tập ảnh màu độ phân giải cao được NASA chính thức công bố một ngày sau đó. Nhưng có một bí mật hậu trường: Các bức hình này đã được bộ phận mặt đất của Viện Khoa học quản lý kính viễn vọng không gian ở Baltimore (Hoa Kỳ) tiếp nhận từ trước đó một tháng.

Những "giám tuyển" thầm lặng

Một đội ngũ khoa học gia và cán bộ truyền thông đặc biệt đã được thành lập và chạy đua trong thời gian 6 tuần ngắn ngủi để chọn lọc, xử lý hậu kỳ và giới thiệu những hình ảnh đặc sắc nhất đến công chúng. "Đó là một bộ sưu tập cung cấp cái nhìn đầu tiên về tiềm năng của một nhiệm vụ không gian đắt đỏ hơn toàn bộ vũ trụ điện ảnh Marvel (cho đến nay) cộng lại" - nhà báo Joshua Sokol, một trong những người có mặt ở Baltimore trong thời khắc lịch sử, viết cho The New York Times.

Nhiệm vụ được giao cho nhóm này là một sự kết hợp giữa khoa học, truyền thông công cộng và quản lý thương hiệu: vừa phải làm nức lòng công chúng, vừa cho các nhà hoạch định chính sách thấy thành quả của số tiền (gần 9 tỉ USD) đã bỏ ra, vừa phải đảm bảo với phần còn lại của giới khoa học rằng việc giải những bí mật khó nắm bắt nhất của vũ trụ cuối cùng cũng đã nằm trong tầm tay.

Khả năng của kính thiên văn James Webb đặc biệt và tối tân đến nỗi ngay chính các nhà thiên văn học kỳ cựu cũng không thể dự báo họ sẽ được thấy những gì trong những hình ảnh mà nó gửi về. Đầu tháng 6-2022, trưởng nhóm - nhà thiên văn học Klaus Pontoppidan là người đầu tiên tải xuống những hình ảnh đầy đủ từ kính thiên văn mới. "Tôi đã ngồi đó, nhìn chằm chằm vào chúng trong hai giờ, và sau đó khao khát tột cùng được chia sẻ những gì mình thấy với ai đó nhưng không thể" - anh nói với The New York Times.

James Webb hoạt động ở bước sóng hồng ngoại. Những đám mây trông giống như một khối vật chất rắn mà các kính thiên văn thế hệ cũ như Hubble ghi nhận sẽ tan biến thành những đám mây ti (cirrus), các thiên hà xa xôi trở nên sáng hơn, các chi tiết mới hiện hình thay vì là một bức màn đen bí hiểm. Chỉ riêng chuyện thể hiện tất cả những thứ này bằng hình ảnh đòi hỏi một bảng màu và phong cách riêng biệt mà nhóm của Klaus cần tính đến.

Bộ phận xử lý hình ảnh làm việc với dữ liệu từ kính thiên văn Hubble cũ đã tuân thủ quy tắc gọi là "thứ tự màu sắc" mô phỏng cách hệ thống thị giác của con người cảm nhận các bước sóng ánh sáng. Kết quả: những hình ảnh thu được là sự cân bằng giữa chủ nghĩa tự nhiên và góc nhìn của một người có giác quan siêu phàm - vẫn mang tính thực tế, nhưng giàu thông tin hơn. Nhóm xử lý hình ảnh từ kính thiên văn James Webb cũng sử dụng thủ thuật tương tự để trích xuất thông tin màu sắc từ các bước sóng hồng ngoại mà mắt người vốn không nhìn thấy được.

Từ những hình ảnh thô đầu tiên gửi về máy tính của Klaus, nhóm đã kết hợp các khung hình cho ra thành quả với độ phơi sáng sâu và hoàn thiện hơn, sau đó chuyển giao cho bộ phận xử lý hình ảnh để tô màu. "Cảm giác duy nhất của tôi là choáng ngợp" - anh Joe Depasquale, trưởng nhóm xử lý hình ảnh của dự án, mô tả cảm giác khi chứng kiến cảnh của một tinh vân trong quá trình hình thành ngôi sao mới dần hiện ra trước mắt mình.

Ảnh kính viễn vọng Hubble chụp cụm thiên hà SMACS 0723 (trái) và phiên bản do James Webb chụp. Ảnh: NASA/ESA/CSA/STScI

Dấu chỉ sự sống trong bảng màu tạo hóa

Dù Trái đất cho đến nay vẫn là nơi duy nhất trong vũ trụ hiện diện sự sống theo hiểu biết của con người, tìm kiếm mầm sống trong vũ trụ bao la là một mục tiêu lớn mà giới khoa học hành tinh và thiên văn học hiện đại chưa bao giờ ngừng theo đuổi. Để làm được điều này, họ cần nhìn vào manh mối có trong bầu khí quyển của các hành tinh xa xôi cách chúng ta hàng triệu năm ánh sáng, và kính thiên văn không gian James Webb vừa giúp họ làm được điều đó.

Trong một hệ mặt trời, sự sống có thể tồn tại ở nơi có nước ở thể lỏng - như các tầng chứa nước bên dưới bề mặt trên sao Hỏa hoặc trong những đại dương trên mặt trăng Europa của sao Mộc. Tính toán trên lý thuyết cho thấy có khoảng 300 triệu hành tinh có tiềm năng chứa sự sống chỉ riêng trong Dải Ngân hà, trong đó một số hành tinh có kích thước tương đương Trái đất và chỉ cách chúng ta khoảng 30 năm ánh sáng. Tuy nhiên, việc tìm kiếm sự sống ở những nơi này là vô cùng khó khăn vì chúng rất khó tiếp cận, trong khi để phát hiện sự sống theo phương pháp truyền thống sẽ đòi hỏi gửi một thiết bị thăm dò đến tận nơi nhằm thu thập các mẫu vật chất về nghiên cứu.

"Nhưng hình ảnh từ những kính thiên văn không gian thế hệ mới như James Webb có thể cung cấp bằng chứng về sự sống hiện diện trên một hành tinh mà không cần phải đặt chân lên đó" - Chris Impey và Daniel Apai, hai nhà khoa học chuyên nghiên cứu sinh vật học vũ trụ đến từ Đại học Arizona, viết trong một bài đăng trên The Conversation.

Ảnh chụp tinh vân Carina của James Webb. Nguồn: NASA

Nếu như để tính toán khối lượng và kích thước của một hành tinh, các nhà thiên văn học cần xem hành tinh ấy ảnh hưởng ra sao đến mặt trời của nó, thì để phát hiện sự sống trên một hành tinh xa xôi, họ có thể nhìn vào cách ánh sáng tương tác với bề mặt hoặc bầu khí quyển của hành tinh đó. Nếu bầu khí quyển hoặc bề mặt đã bị biến đổi bởi sự sống, ánh sáng có thể mang một manh mối gọi nôm na là "chữ ký sinh học" của hành tinh ấy.

Một ví dụ cụ thể là chính Trái đất của chúng ta. Trong giai đoạn đầu sau khi hình thành, bầu khí quyển Trái đất không có oxy mặc dù đã tồn tại những mầm sống ở thể đơn bào đơn giản, và vì vậy chữ ký sinh học của Trái đất lúc này rất mờ nhạt. Điều đó đã thay đổi đột ngột cách đây 2,4 tỉ năm, khi một họ tảo mới phát triển. Loài tảo này trong quá trình quang hợp tạo ra oxy tự do - oxy không có liên kết hóa học với bất kỳ nguyên tố nào khác. Kể từ thời điểm đó, bầu khí quyển chứa đầy oxy của Trái đất đã để lại một đặc điểm sinh học mạnh mẽ và dễ phát hiện trên ánh sáng đi qua nó.

Khi ánh sáng gặp bề mặt vật chất hoặc đi qua chất khí, một số bước sóng nhất định của ánh sáng bị hấp thụ trong khi những bước sóng khác thì không. Đây chính là lý do tại sao mọi thứ xung quanh chúng ta mang màu sắc khác nhau: lá có màu xanh lục vì chất diệp lục hấp thụ tốt ánh sáng có bước sóng màu đỏ và xanh lam, chỉ để lại phần lớn ánh sáng xanh lục dội lại vào mắt người nhìn. Trong trường hợp của chất khí, khả năng hấp thụ ánh sáng được quyết định bởi thành phần hóa học cụ thể tạo nên nó.

Nhờ đặc tính này mà các nhà thiên văn học có thể biết thành phần của bầu khí quyển hoặc bề mặt của hành tinh, từ đó dự đoán nơi đó có sự sống hay không bằng cách nhìn vào màu sắc của ánh sáng phát ra từ hành tinh đó qua những bức ảnh chụp mà kính thiên văn James Webb gửi về. "Cần một kính thiên văn cực kỳ mạnh mẽ để phát hiện những thay đổi tinh tế này đối với ánh sáng đến từ một hành tinh ngoài hệ mặt trời có thể mang sự sống. Hiện tại, kính viễn vọng duy nhất có thể đạt được kỳ tích như vậy là James Webb" - Impey và Apai khẳng định.

Chương mới của nghiên cứu thiên văn

Hiện lịch hoạt động cho năm đầu tiên của James Webb đã kín với đơn đặt hàng chụp hình những đối tượng nghiên cứu của các dự án khoa học được phê duyệt. Về tương lai, đơn vị vận hành kính thiên văn này là Viện Khoa học quản lý kính viễn vọng không gian ở Baltimore sẽ tiếp tục tiếp nhận đơn đăng ký hằng năm từ các nhà khoa học để xác định đối tượng ưu tiên chụp trong suốt thời gian tồn tại và hoạt động của James Webb.

"Những gì chúng tôi đã lên kế hoạch cho chu kỳ hoạt động đầu tiên [của James Webb] là táo bạo, nhưng vẫn chưa đủ táo bạo - trang Space dẫn lời ông Eric Smith, nhà khoa học trưởng tại bộ phận vật lý thiên văn của NASA - Vì vậy, tôi thực sự hào hứng với những gì mọi người dự định làm trong chu kỳ thứ hai, một khi đã chứng kiến tận mắt năng lực hoạt động của kính thiên văn này".

Chu kỳ thứ hai kéo dài 1 năm bắt đầu từ mùa hè 2023 được dự báo có thể dẫn đến những khám phá đáng kinh ngạc. "Chúng ta đang sang trang mới của một chương mới về bầu khí quyển của các hành tinh ngoài hệ mặt trời, về vũ trụ sơ khai, về sự hình thành tinh vân, và nhiều hơn nữa - René Doyon, nhà khoa học chịu trách nhiệm về thiết bị chụp ảnh hồng ngoại của James Webb, phát biểu trong một cuộc họp báo của NASA vào ngày 12-7 - Và chúng tôi thậm chí không biết những gì mình sẽ tìm thấy. Điều đó thật thú vị".

Tinh vân NGC (Southern Ring Nebula) do James Webb chụp. Ảnh: NASA/ESA/CSA/STScI

Còn theo Jane Rigby, một nhà khoa học tham gia dự án James Webb, việc quan trọng hơn cần làm ngay lúc này là phát triển những mô hình mới phù hợp để phân tích lượng dữ liệu khổng lồ mới mẻ từ kính thiên văn này. "Tôi chỉ muốn nói rõ rằng đây mới chỉ là bước khởi đầu. Những dữ liệu này chứng minh rằng kính thiên văn hoạt động, nhưng kể từ lúc này các kết quả khoa học sẽ dần được công bố. Mọi người sẽ sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau để có được càng nhiều thông tin mang giá trị khoa học càng tốt từ dữ liệu thô" - Rigby nói trong cuộc họp báo. Còn Smith tự tin: "Tôi nghĩ ở giai đoạn hai, mọi người sẽ mạo hiểm hơn nhiều [trong việc chọn đề tài] vì họ đã biết cơ sở vật chất tốt đến thế nào".■

Đặt theo tên của cố lãnh đạo Cơ quan Hàng không và vũ trụ Mỹ (NASA), James Webb được lên ý tưởng từ tận những năm 1980 nhằm kế thừa kính thiên văn Hubble khi ấy chuẩn bị được đưa vào không gian. Sau nhiều lần dự án bị trì hoãn và đập đi xây lại từ đầu với tổng chi phí lên đến 8,8 tỉ USD, mãi đến dịp Giáng sinh năm ngoái James Webb mới bắt đầu hành trình vào không gian để thực thi sứ mệnh và gửi thành quả về hơn nửa năm sau.

Mô phỏng kính viễn vọng James Webb trên quỹ đạo. Ảnh: NASA