Kính viễn vọng không gian mạnh nhất từng được chế tạo sẽ quay ngược thời gian trở lại thời kỳ đen tối của vũ trụ

Một số người đã gọi Kính viễn vọng Không gian James Webb của NASA là “kính viễn vọng đã ăn thiên văn học. ” Nó là kính viễn vọng không gian mạnh nhất từng được chế tạo và một mảnh origami cơ học phức tạp đã vượt qua giới hạn kỹ thuật của con người. Vào ngày 18 tháng 2021 năm XNUMX, sau nhiều năm trì hoãn và chi phí vượt mức hàng tỷ đô la, kính thiên văn đã được dự kiến ​​phóng lên quỹ đạo và mở ra kỷ nguyên tiếp theo của thiên văn học.

Tôi là một nhà thiên văn học với chuyên môn về vũ trụ học quan sát—Tôi đã nghiên cứu các thiên hà xa xôi trong 30 năm. Một số câu hỏi chưa được trả lời lớn nhất về vũ trụ liên quan đến những năm đầu của nó ngay sau Vụ nổ lớn. Những ngôi sao và thiên hà đầu tiên hình thành khi nào? Cái nào đến trước, và tại sao? Tôi vô cùng phấn khích khi các nhà thiên văn học có thể sớm khám phá ra câu chuyện về sự hình thành của các thiên hà bởi vì James Webb được tạo ra đặc biệt để trả lời chính những câu hỏi này.

'Thời kỳ đen tối' của vũ trụ

Bằng chứng tuyệt vời cho thấy vũ trụ bắt đầu từ một sự kiện gọi là Big Bang 13.8 tỷ năm trước, khiến nó ở trạng thái cực nóng và cực đặc. Vũ trụ ngay lập tức bắt đầu giãn nở sau Vụ nổ lớn và nguội dần đi. Một giây sau Vụ nổ lớn, vũ trụ có chiều ngang hàng trăm nghìn tỷ dặm với nhiệt độ trung bình lên tới mức đáng kinh ngạc là 18 tỷ độ F (10 tỷ độ C). Khoảng 400,000 năm sau Vụ nổ lớn, vũ trụ có đường kính 10 triệu năm ánh sáng và nhiệt độ đã nguội đến 5,500 độ F (3,000 độ C). Nếu có ai đó ở đó để nhìn thấy nó vào thời điểm này, vũ trụ sẽ phát sáng màu đỏ xỉn giống như một ngọn đèn nhiệt khổng lồ.

Trong suốt thời gian này, không gian chứa đầy một hỗn hợp mịn gồm các hạt năng lượng cao, bức xạ, hydro và heli. Không có cấu trúc. Khi vũ trụ giãn nở trở nên lớn hơn và lạnh hơn, nước súp loãng dần và mọi thứ chuyển sang màu đen. Đây là sự khởi đầu của cái mà các nhà thiên văn học gọi là Thời kỳ đen tối của vũ trụ.

Món súp của thời kỳ đen tối là không hoàn toàn đồng nhất và do lực hấp dẫn, những vùng khí nhỏ bắt đầu kết tụ lại với nhau và trở nên đậm đặc hơn. Vũ trụ phẳng lặng trở nên vón cục và những khối khí nhỏ đặc hơn này là mầm mống cho sự hình thành cuối cùng của các ngôi sao, thiên hà và mọi thứ khác trong vũ trụ.

Mặc dù không có gì để xem nhưng Thời kỳ Tăm tối là một giai đoạn quan trọng trong quá trình tiến hóa của vũ trụ.

Tìm kiếm ánh sáng đầu tiên

Thời kỳ Tăm tối kết thúc khi lực hấp dẫn hình thành nên những ngôi sao và thiên hà đầu tiên mà cuối cùng bắt đầu phát ra ánh sáng đầu tiên. Mặc dù các nhà thiên văn học không biết ánh sáng đầu tiên xuất hiện khi nào nhưng phỏng đoán tốt nhất là nó đã xảy ra vài trăm triệu năm sau vụ nổ lớn. Các nhà thiên văn học cũng không biết liệu các ngôi sao hay thiên hà được hình thành trước tiên.

Các lý thuyết hiện tại dựa trên cách lực hấp dẫn hình thành nên cấu trúc trong một vũ trụ bị chi phối bởi vật chất tối cho thấy rằng các vật thể nhỏ – như các ngôi sao và cụm sao – có khả năng hình thành trước tiên và sau đó phát triển thành các thiên hà lùn và sau đó là các thiên hà lớn hơn như Dải Ngân hà. Những ngôi sao đầu tiên trong vũ trụ này là những vật thể cực đoan so với các ngôi sao ngày nay. Họ đã sáng hơn gấp triệu lần nhưng họ sống cuộc đời rất ngắn ngủi. Chúng cháy nóng rực và khi chết đi, chúng để lại đằng sau lỗ đen gấp hàng trăm lần khối lượng Mặt trời, có thể có đóng vai trò là hạt giống cho sự hình thành thiên hà.

Các nhà thiên văn học rất thích nghiên cứu kỷ nguyên hấp dẫn và quan trọng này của vũ trụ, nhưng việc phát hiện ra ánh sáng đầu tiên là một thách thức vô cùng lớn. So với các thiên hà khổng lồ, sáng chói ngày nay, những vật thể đầu tiên rất nhỏ và do vũ trụ không ngừng giãn nở nên giờ đây chúng cách Trái đất hàng chục tỷ năm ánh sáng. Ngoài ra, những ngôi sao đầu tiên được bao quanh bởi chất khí còn sót lại từ quá trình hình thành của chúng và chất khí này hoạt động giống như sương mù hấp thụ phần lớn ánh sáng. Phải mất vài trăm triệu năm bức xạ để xua tan sương mù. Ánh sáng ban đầu này rất mờ nhạt khi nó tới Trái đất.

Nhưng đây không phải là thách thức duy nhất.

Khi vũ trụ giãn nở, nó liên tục kéo dài bước sóng ánh sáng truyền qua nó. Đây được gọi là dịch chuyển đỏ bởi vì nó chuyển ánh sáng có bước sóng ngắn hơn—như ánh sáng xanh hoặc trắng—sang bước sóng dài hơn như ánh sáng đỏ hoặc hồng ngoại. Mặc dù không phải là một phép so sánh hoàn hảo, nhưng nó cũng tương tự như khi một chiếc ô tô chạy ngang qua bạn, cao độ của bất kỳ âm thanh nào nó tạo ra đều giảm xuống đáng kể.

Vào thời điểm ánh sáng phát ra từ một ngôi sao hoặc thiên hà sơ khai cách đây 13 tỷ năm tới bất kỳ kính viễn vọng nào trên Trái đất, nó đã bị giãn nở gấp 10 lần do sự giãn nở của vũ trụ. Nó đến dưới dạng ánh sáng hồng ngoại, nghĩa là nó có bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sáng đỏ. Để nhìn thấy ánh sáng đầu tiên, bạn phải tìm kiếm ánh sáng hồng ngoại.

Kính thiên văn như một cỗ máy thời gian

Vào Kính viễn vọng Không gian James Webb.

Kính thiên văn giống như cỗ máy thời gian. Nếu một vật thể ở cách xa 10,000 năm ánh sáng, điều đó có nghĩa là ánh sáng phải mất 10,000 năm mới đến được Trái đất. Vì vậy, các nhà thiên văn học càng nhìn xa hơn trong không gian, quay ngược thời gian xa hơn chúng ta đang tìm kiếm.

Kỹ sư tối ưu hóa James Webb để phát hiện cụ thể ánh sáng hồng ngoại yếu của các ngôi sao hoặc thiên hà sớm nhất. So với Kính viễn vọng Không gian Hubble, James Webb có trường nhìn rộng hơn 15 lần trên máy ảnh của mình, thu thập ánh sáng nhiều hơn sáu lần và các cảm biến của nó được điều chỉnh để nhạy nhất với ánh sáng hồng ngoại.

Chiến lược sẽ là nhìn sâu vào một mảng trời trong một thời gian dài, thu thập càng nhiều ánh sáng và thông tin từ các thiên hà xa nhất và lâu đời nhất càng tốt. Với dữ liệu này, có thể trả lời được Thời kỳ Đen tối kết thúc khi nào và như thế nào, nhưng còn nhiều khám phá quan trọng khác cần được thực hiện. Ví dụ, việc làm sáng tỏ câu chuyện này cũng có thể giúp giải thích bản chất của vật chất tối, dạng vật chất bí ẩn tạo nên khoảng 80% khối lượng của vũ trụ.

James Webb là nhiệm vụ khó khăn nhất về mặt kỹ thuật NASA đã từng thử. Nhưng tôi nghĩ rằng những câu hỏi khoa học mà nó có thể giúp trả lời sẽ xứng đáng với mọi nỗ lực. Tôi và các nhà thiên văn học khác đang hồi hộp chờ đợi dữ liệu bắt đầu quay trở lại vào năm 2022.

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.

Tín dụng hình ảnh: Trường sâu Hubble / NASA

Nguồn: https://singularityhub.com/2021/10/24/the-most-powerful-space-telescope-ever-build-will-look-back-in-time-to-the-dark-ages-of- vũ trụ/