Biến Mặt Trời thành thấu kính khổng lồ, siêu dự án bay 548 đơn vị thiên văn vạch mở thế giới ngoài Trái Đất

Cho đến nay, tất cả những bức ảnh về các hành tinh ngoài Hệ Mặt Trời mà nhân loại từng ghi nhận được chỉ vỏn vẹn là những điểm sáng mờ nhạt.

Dù sử dụng các thiết bị tân tiến nhất, giới thiên văn học cũng chỉ có thể tách điểm sáng đó ra khỏi ánh sáng chói lọi của ngôi sao chủ. Muốn nhìn rõ bề mặt một hành tinh giống Trái Đất cách xa hàng chục năm ánh sáng để xác định xem nơi đó có đại dương hay đường bờ biển hay không, con người cần một kính thiên văn lớn đến mức nào?

Đáp án của bài toán quang học này sẽ khiến bất kỳ kỹ sư nào cũng phải ngỡ ngàng. Khả năng phân giải chi tiết phụ thuộc vào khẩu độ gương chính.

Theo tính toán dựa trên giới hạn nhiễu xạ, nếu muốn thu được hình ảnh vỏn vẹn 100 điểm ảnh (10 hàng 10 cột) của một hành tinh ở khoảng cách hàng chục năm ánh sáng, chúng ta cần một kính thiên văn không gian có khẩu độ gương lên tới 160 km.

Để so sánh, gương chính của kính thiên văn James Webb hiện nay cũng chỉ rộng 6,5 mét. Khoảng cách này chênh lệch tới bảy cấp độ quy mô. Giải pháp dùng mảng kính thiên văn giao thoa trên Mặt Trăng cũng không khả thi do lượng quang tử thu nhận quá ít, đòi hỏi thời gian phơi sáng kéo dài hàng trăm năm.

Nói cách khác, nếu tiếp tục đi theo con đường chế tạo những chiếc gương lớn hơn, con người mãi mãi chỉ có thể phân tích quang phổ của những điểm sáng. Muốn thực sự nhìn thấy một thế giới khác, giới khoa học bắt buộc phải thay đổi tư duy.

Cửa hậu cho bế tắc này thực chất đã được Albert Einstein để lại từ một thế kỷ trước. Theo thuyết tương đối tổng quát, khối lượng khổng lồ sẽ làm cong không gian - thời gian, khiến ánh sáng đi qua gần nó bị lệch hướng. Sự kiện nhật thực năm 1919 do Arthur Eddington quan sát đã chứng minh điều này.

Dưới góc độ kỹ thuật, nếu Mặt Trời có thể bẻ cong và hội tụ ánh sáng từ một hướng xác định, thì bản thân nó chính là một thấu kính khổng lồ với đường kính 1,39 triệu km. Ở dải sóng 1 micromet, thấu kính hấp dẫn Mặt Trời có thể cung cấp độ phóng đại độ sáng lên tới 100 tỷ lần, mang lại độ phân giải góc đạt mức 10 mũ âm 10 giây cung - vượt xa mọi thiết bị do con người chế tạo.

Cái giá phải trả là tiêu điểm nằm rất xa. Do ánh sáng càng gần tâm Mặt Trời càng bị bẻ cong mạnh, chùm sáng đi qua các độ cao khác nhau sẽ hội tụ ở những khoảng cách khác nhau, tạo thành một đường tiêu cự kéo dài từ mốc 547 đơn vị thiên văn (AU) ra vô tận. Mốc 548 AU xa gấp 13 lần quỹ đạo Sao Diêm Vương. Tàu Voyager 1 sau gần nửa thế kỷ di chuyển hiện mới chỉ đi được chưa đầy một phần ba quãng đường này.

Nhờ sự tài trợ từ chương trình NIAC của NASA, nhà vật lý Slava Turyshev thuộc JPL đã giải thành công các phương trình cơ học lượng tử tại vùng tiêu điểm hấp dẫn, biến ý tưởng này thành một lộ trình kỹ thuật chi tiết.

Theo nghiên cứu NIAC, ánh sáng từ hành tinh mục tiêu sau khi đi qua Mặt Trời sẽ bị nén thành một cột quang học đường kính 1,3 km, tạo nên hiệu ứng vòng Einstein. Tàu vũ trụ di chuyển bên trong cột sáng này để thu thập dữ liệu và dùng thuật toán máy tính tái tạo bản đồ bề mặt hành tinh.

Với một kính thiên văn cỡ mét trang bị kính nhãn quang dập ánh sáng Mặt Trời, khi quan sát mục tiêu cách 98 năm ánh sáng trong 6 tháng, hệ thống đủ sức tái tạo hình ảnh với độ phân giải bề mặt khoảng 25 km (hoặc 10 km ở điều kiện lý tưởng).

Độ phân giải này cho phép nhìn rõ hình dáng đại dương, lục địa, chỏm băng ở cực và các dãy núi lớn. Kỹ sư Nitin Arora thuộc NASA từng khẳng định chắc chắn công chúng sẽ được thấy hồ nước, đại dương và núi đồi trên hành tinh đó.

Thách thức lớn nhất vẫn là khoảng cách 548 AU. Tên lửa hóa học truyền thống sẽ mất hàng trăm năm di chuyển. Đề xuất giai đoạn 3 của NIAC đưa ra giải pháp dùng cánh buồm Mặt Trời: Cho tàu vũ trụ lao sát điểm cận nhật rồi bung 16 cánh buồm màng mỏng, dùng áp suất ánh sáng đẩy vận tốc lên 150 km/giây, rút ngắn hành trình xuống còn vài thập kỷ.

Kế hoạch chuyển hướng sang sử dụng đàn vệ tinh nhỏ để giảm chi phí, phóng ghép và phân chia rủi ro. Đàn vệ tinh cho phép quan sát đồng thời nhiều hành tinh và hạn chế ảnh hưởng của 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 vốn chỉ quan sát sự ngẫu nhiên chốc lát rồi để mục tiêu biến mất vĩnh viễn, sứ mệnh thấu kính hấp dẫn Mặt Trời là cuộc thám hiểm chủ động nhằm định cư quan sát lâu dài một hành tinh tiềm năng.

Dù còn đối mặt với nhiều rào cản như độ chính xác định hướng cao gấp 100 lần hiện nay, kỹ thuật bám theo quỹ đạo hành tinh hay loại bỏ nhiễu quầng Mặt Trời, siêu dự án này vẫn mở ra trang mới cho thiên văn học.

Từng được đề xuất lần đầu bởi Claudio Maccone vào năm 1993 nhưng bị chối bỏ, ý tưởng này giờ đây đang tiến gần hơn tới thực tế. Chỉ cần một đôi mắt nhân tạo chạm tới mốc 548 AU, câu hỏi về sự sống ngoài Trái Đất sẽ chuyển từ lý thuyết xác suất thành một quan sát trực quan sinh động.