Để nhìn ngược về quá khứ, chứng kiến buổi hồng hoang của Vũ trụ và ánh sáng phát ra từ những ngôi sao đầu tiên, chúng ta phải nắm trong tay một tấm gương kích cỡ tương đương một căn nhà. Bề mặt của nó phải nhẵn mịn tới mức nếu gương rộng bằng một lục địa, tất cả những điểm gồ ghề phải không cao quá mắt cá chân.

Bằng thiết bị tinh tế này, ta sẽ thu thập và tập trung được những tia sáng dù là yếu ớt nhất phát ra từ những thiên hà xa nhất - là những ánh sáng đã khởi phát từ lâu và qua đó, mang theo dữ liệu cho thấy một phần thiên hà thời điểm xa xưa. Tấm gương lớn sẽ là khung cửa sổ cho phép ta nhìn về quá khứ, khi Vũ trụ vẫn còn non trẻ. Ấy là lúc các thiên hà vẫn đang dần định hình, khi những ngôi sao đầu tiên bắt đầu ló dạng.

Lý do khiến chúng ta chưa thể nhìn thấy quá trình hình thành thiên hà là vì những ánh sáng cổ đại, sau khi trải qua nhiều tỷ năm bay vô định trong một Vũ trụ ngày một giãn nở về mọi hướng, bị kéo giãn ra. Những ánh sáng nhìn thấy được và cả các tia cực tím sinh ra từ những ngôi sao xa xôi sẽ sở hữu bước sóng ánh sáng dài hơn 20 lần so với nguyên bản, rồi trở thành bức xạ hồng ngoại.

Thế nhưng, ánh sáng hồng ngoại lại cũng chính là thứ bức xạ bao gồm những nguyên tử dao động liên tục, được chúng ta gọi là nhiệt. Nhiệt sinh ra từ vô vàn thứ, cơ thể con người, bầu khí quyển Trái Đất hay chính bản thân Đất Mẹ. Những ngôi sao từ phía xa cũng sinh nhiệt, và để kính viễn vọng nắm bắt được những tín hiệu yếu ớt này, nó phải được đặt trong môi trường cực lạnh. Kính viễn vọng phải nằm trong vòng tay lạnh lẽo của không gian.

Có điều, một tấm gương lớn tựa căn nhà không nằm vừa bất cứ tàu du hành nào ta đang có. Kính sẽ phải được gấp gọn gàng để đặt vừa khoang chứa, và rồi mở ra theo những góc chính xác tuyệt đối để có được tiêu cự chuẩn xác nhất. Tấm gương đang được nhắc tới cấu thành từ nhiều các tấm gương nhỏ có hình lục giác, ghép thành tấm gương lớn và sẽ có dạng như một chiếc tổ ong vàng óng. Sau mỗi tấm lục giác là một motor điện có thể tinh chỉnh vị trí gương chính xác tới mức nanomet, đại lượng vẫn dùng để mô tả kích thước của một con virus.

Khả năng nhìn thấy được ánh sáng hồng ngoại không chỉ cho khoa học hiểu thêm về những ngày đầu Vũ trụ thành hình (khoảng 50 triệu cho tới 500 triệu năm hậu Big Bang), mà còn làm sáng tỏ những khía cạnh quan trọng không kém: từ đặc tính của những ngôi sao “giống Trái Đất” ở phương xa, hay tốc độ giãn nở của Vũ trụ vẫn còn đang trong vòng tranh cãi.

Nhưng để nhìn thấu chương đầu của cuốn sách Vũ trụ, bao gồm sự hình thành những ngôi sao khổng lồ đầu tiên, những vật chất vô hình nhào nặn nên thiên thể, về hành trình phát triển của lỗ đen và cách chúng tìm về trung tâm của mỗi thiên hà, một chiếc cửa sổ tiên tiến thôi là chưa đủ. Ta cần một tấm rèm phù hợp.

Ngay cả trong Vũ trụ lạnh lẽo, những thiết bị nhạy cảm vẫn có thể cảm nhận nhiệt lượng từ Trái Đất, Mặt Trời và Mặt Trăng. Đó là lý do các nhà thiên văn học đặt kính tại một vị trí có tên Điểm Lagrange 2 (L2). Tại đây, cả ba thiên thể vừa nêu sẽ đều nằm về một hướng, cho phép một tấm rèm duy nhất có thể chặn hầu hết nhiệt lượng ảnh hưởng tới kính viễn vọng. Bằng một tấm chắn kích cỡ tương đương một sân tennis, kính viễn vọng mới nằm trong môi trường đủ lạnh để cảm nhận nhiệt lượng còn vương lại từ buổi bình minh của Vũ trụ.

Để có thể đủ nhẹ để nhét vừa tàu du hành, lại vừa dày vừa phải để có thể gấp gọn trong quá trình di chuyển, tấm chắn nhiệt phải được làm từ chất liệu mỏng tương tự vải. Các kỹ sư vẫn gọi vải là chất liệu bất định, khi không thể kiểm soát hay dự đoán chính xác chuyển động của vải một khi căng ra. Nếu như có lỗi xảy ra trong quá trình kéo căng tấm màn chắn nhiệt, toàn bộ thiết bị kính viễn vọng sẽ trở thành rác thải không gian.

Tính tới thời điểm hiện tại, Kính viễn vọng Không gian James Webb đã “trễ hẹn” 14 năm, với số tiền phát triển dự án vượt quá 20 lần ngân sách đặt ra ban đầu. Khởi hành từ Kourou, French Guiana, tên lửa Ariane 5 đã đưa thành công kính James Webb lên không, và ở thời điểm hiện tại, JWST đã đến được điểm L2 định trước.

Sau một loạt các bài thử nghiêm ngặt kéo dài nhiều tháng, Kính viễn vọng Không gian James Webb mới có thể chính thức đi vào hoạt động.

Ban đầu, thiết bị tiên tiến được gọi là Kính thiên văn Không gian Thế hệ kế cận - Next Generation Space Telescope (NGST). “Kế cận”, bởi lẽ kính Webb sẽ kế tục nền móng xây nên bởi Kính viễn vọng Không gian Hubble. Những thành tựu Hubble đạt được suốt 31 năm hoạt động vừa cách mạng hóa ngành thiên văn học, lại đồng thời mở ra những câu hỏi mới khó giải đáp. Khoa học cần một thiết bị mạnh mẽ hơn nữa.

James Webb kế thừa chức vụ từ Hugh Latimer Dryden, một nhà nghiên cứu hàng không vũ trụ có tiếng. Khi Tổng thống John Kennedy lên nắm quyền, ông giao phó trách nhiệm điều hành NASA cho Webb, đồng thời đặt ra một hạn chót không tưởng: bằng chương trình không gian Apollo, James Webb phải đưa được người Mỹ lên Mặt Trăng trước khi thập niên 60 kết thúc.

James Webb đã cùng NASA hiện thực hóa ước muốn của Kennedy, đồng thời tạo nên mốc son mới cho lịch sử ngành hàng không Vũ trụ. Cũng trong nhiệm kỳ của mình, các chương trình khám phá không gian do James Webb chỉ đạo cũng đạt nhiều thành tựu lớn, hoàn thành tới hơn 75 chuyến du hành nhiều rủi ro.

Trước khi thế kỷ 20 kết thúc, các nhà nghiên cứu đã vẽ những bản phác thảo đầu tiên của NGST. Năm 2007, NASA ước tính số vốn ban đầu cho dự án là 500 triệu USD, nhưng sau nhiều năm trì hoãn, gặp vấn đề trong thiết kế và quản lý, số tiền đầu tư cho dự án kính James Webb vượt chỉ tiêu nhiều lần, ước tính tới hơn 9,6 tỷ USD tính tới tháng 3/2021.

Nhưng nhìn vào những chi tiết tỉ mỉ cũng như những tiến bộ công nghệ có trên của Kính viễn vọng Không gian James Webb, ta có thể thấy số tiền tỷ đầu tư vẫn còn khiêm tốn.

Khoa học tiến bộ nhiều kể từ ngày khởi động thành công Kính viễn vọng Không gian Hubble. Một trong những công nghệ đáng kể nhất là thành tựu giảm tải trọng gương phản chiếu chính của hệ thống kính thiên văn. Gương của James Webb nặng xấp xỉ 1 tấn (trên Trái Đất) và có đường kính 6,5 mét, trong khi đó gương của James Webb chỉ nhẹ hơn có 200 kg, đường kính vỏn vẹn 2,4 mét.

Thành phần của nhiều phi cơ siêu thanh được làm từ beryllium khi nó vừa nhẹ, vừa cứng chắc lại vừa ổn định khi bị vặn xoáy theo nhiều chiều. Vật chất này mang lại cho tấm gương của James Webb cân nặng vừa phải, độ cứng và độ ổn định cần thiết khi hoạt động trong môi trường khắc nghiệt của Vũ trụ.

Ngay từ khâu thiết kế Kính viễn vọng Không gian James Webb, các nhà khoa học đã tính tới việc tấm gương biến dạng trong quá trình phóng mạnh bạo. Qua hàng loạt thử nghiệm, nhóm nghiên cứu tới từ nhiều quốc gia đã chế tạo thành công một hệ thống sống sót được qua hành trình trắc trở, đảm bảo kính giữ nguyên hình dạng khi đi vào không gian.

Vẫn còn nhiều những lo lắng bủa vây lấy số phận thiết bị. Trong không gian, mặt gương giòn sẽ phải đối diện với môi trường khắc nghiệt, đồng thời đứng trước nguy cơ va chạm tới từ những thiên thể tí hon bay vô định trong không gian.

Tuy nhiên, khi các bài thử khắc nghiệt cho thấy gương beryllium hoàn toàn có thể sống sót sau các vụ va chạm với thiên thể cỡ nhỏ. Hơn nữa, nhân loại từng phóng lên Kính viễn vọng Không gian Spitzer cũng sở hữu một kính chính làm từ beryllium; nó đã vận hành trơn tru từ khi được phóng năm 2003, cho tới khi “nghỉ hưu” vào tháng 1/2020.

Các tấm gương của James Webb được dát một lớp vàng để tăng khả năng phản chiếu ánh sáng hồng ngoại. Nhưng tại sao vàng lại phản các bức xạ đỏ tốt đến vậy?

Đầu tiên, kim loại phản chiếu được ánh sáng bởi chúng có thể dẫn điện. Các electron chạy qua lại dễ dàng giữa các nguyên tử kim loại và tạo nên một “lớp phủ” electron phản ứng rất nhạy trước các thay đổi. Rất khó để tạo thành một điện trường ổn định trong một chất dẫn điện (trong trường hợp này, là kim loại) bởi lẽ các electron có thể tự do di chuyển, khiến cường độ điện trường bằng 0. Ánh sáng là sóng điện từ, nên khi chúng tiếp xúc với bề mặt kim loại, chúng sẽ khiến electron trên bề mặt kim loại dao động. Các electron di chuyển, cố gắng đưa giá trị cường độ điện trường ròng trong kim loại về 0, để rồi kết hợp giữa điện trường của từng electron di chuyển và điện trường của ánh sáng sẽ bằng 0, kết quả là ánh sáng phản chiếu khỏi bề mặt kim loại.

Thứ hai, mỗi nguyên tố sở hữu một cấu trúc nguyên tử đặc trưng và những cách sắp xếp electron khác nhau, nên cách chúng phản ứng, phản chiếu ánh sáng sẽ khác nhau, đồng thời phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng. Vàng là vật chất phản chiếu ánh sáng xanh dương rất kém, nhưng phản ánh đỏ và ánh hồng ngoại rất tốt. Đó là lý do vì sao vàng lại … có màu vàng trong mắt chúng ta, khi chúng phản chiếu ánh sáng đỏ tốt hơn nhiều ánh sáng xanh dương.

Bảo vệ lớp vàng là một lớp thủy tinh không định hình làm từ SiO2. Và bảo vệ toàn bộ hệ thống kính là một tấm chắn mặt trời có kích cỡ bằng một sân tennis.

Tấm chắn mặt trời sở hữu tất cả 5 lớp, được gắn với dàn gương của kính James Webb, gấp gọn trong khoang chứa của tên Arianna 5 đã lên không thành công vào cuối năm 2021. Trên đường tới vị trí L2, tấm chắn dần được căng ra, tựa cánh buồm đón gió lộng đưa kỳ quan công nghệ tới điểm hẹn.

Nhờ tính linh hoạt của loại nhựa mỏng, các nhà khoa học nhanh chóng chọn Kapton làm nguyên vật liệu “may rèm”. Tấm chắn mặt trời có tới 5 lớp nhằm đề phòng sự cố rách trong quá trình di chuyển hoặc khi kéo căng, những trường hợp đã diễn ra trong quá trình thử nghiệm.

Có người gọi Kính viễn vọng Không gian James Webb là sự thay thế cho kính Hubble đã hoạt động từ năm 1990 tới nay, tuy nhiên sẽ hợp lý hơn nếu ta gọi thiết bị mới là hậu duệ kế nhiệm. Suy cho cùng, công nghệ trên kính Webb đều trưởng thành từ nền móng mà kính Hubble đặt ra, hơn nữa mục tiêu kính Webb hướng tới đều dựa trên những khám phá Hubble có được.

Thành tựu của Hubble dài lắm, nhưng nói một cách ngắn gọn, thì ta cần một kính viễn vọng quan sát được những vật thể ở quá xa, như những thiên hà già nhất với dấu vết còn sót lại là các ánh sáng hồng ngoại.

Hơn nữa, chức năng của hai thiết bị khác nhau. Dưới con mắt của kính Webb, Vũ trụ sẽ hiện ra dưới dạng ánh sáng hồng ngoại, trong khi đó kính Hubble tập trung thực hiện các quan sát quang học và nghiên cứu ánh sáng cực tím (dù vậy, Hubble cũng có thể phân tích ánh sáng hồng ngoại tới một giới hạn nhất định).

Kính Webb sẽ chủ yếu quan sát ánh sáng hồng ngoại, thông qua 4 công cụ thu thập hình ảnh và đo đạc quang phổ của thiên thể. Các thiết bị trên kính sẽ theo dõi được các bước sóng ánh sáng trong khoảng từ 0,6 cho tới 28 micrometer (đơn vị đo còn có tên “micron”, với 1 micron = 0,000001 mét).

Kính Webb có thể quan sát ánh sáng hồng ngoại với bước sóng từ 0,75 micron cho tới vài trăm micron. Điều này đồng nghĩa với việc thiết bị trên kính Webb sẽ chủ yếu nghiên cứu bức xạ hồng ngoại của phổ điện từ.

Việc quan sát ánh sáng hồng ngoại quan trọng nhường nào mà cần một thiết bị tỷ đô như kính James Webb? Để trả lời câu hỏi này một cách trực quan, bạn có thể quan sát tấm ảnh sau:

Thay vì bay quanh Trái Đất như kính viễn vọng Hubble, kính Webb sẽ nằm cách chúng ta 1,5 triệu kilomet, tại một vị trí đặc biệt có tên điểm Lagrange 2 (L2), một vị trí đặc biệt hiện hữu khi có hai thiên thể bay tương đối với nhau như Trái Đất và Mặt Trời. Tại đây, tấm chắn mặt trời có thể cùng lúc chắn ánh sáng phát ra từ Trái Đất, Mặt Trăng và Mặt Trời, giúp cho kính viễn vọng James Webb luôn trong trạng thái lạnh, không bị “nhiễu nhiệt” do ánh hồng ngoại phát ra từ các thiên thể khác.

Quá trình phóng lên không gian, mở rèm, đặt gương vào đúng vị trí đều đã thành công. Nhưng trước mắt các nhà khoa học còn là nhiều tháng khởi động hệ thống, tinh chỉnh và thử nghiệm thiết bị. Dự kiến, 6 tháng sau khi kính James Webb lên không, nó sẽ thực hiện những sứ mệnh khoa học đầu tiên.

Toàn bộ dữ liệu nghiên cứu sẽ được hệ thống truyền sóng vô tuyến gửi về dàn ăng-ten ở Trái Đất, là chuỗi thiết bị thuộc Mạng lưới Không gian Sâu NASA. Dữ liệu sẽ tiếp tục tới Trung tâm Khoa học và Vận hành Webb trực thuộc Viện Khoa học Kính thiên văn Không gian đặt tại Maryland, Mỹ. Từ đây, những khám phá mới từ Kính viễn vọng Không gian James Webb sẽ tới tai công chúng.

Chúng ta sẽ không còn phải chờ lâu nữa đâu. Trong quãng đời cống hiến cho khoa học của mình, kính Hubble đã thực hiện hơn một triệu dự án quan sát không gian, làm tiền đề cho giới nghiên cứu xuất bản thành công hơn 18.000 công trình nghiên cứu khoa học về vô vàn chủ đề, từ sự hình thành của hành tinh cho tới các dự án nghiên cứu lỗ đen khổng lồ. Đã hơn 30 năm kể từ khi lên không, Hubble vẫn phụng sự khoa học không ngừng nghỉ.

Kính viễn vọng Không gian James Webb, kỳ quan công nghệ đang ổn định vị trí cũng sẽ sớm bổ sung cho kho tàng tri thức vẫn còn dang dở của nhân loại. Một cỗ máy thời gian có thể nhìn ngược về quá khứ chắc chắn sẽ đập tan nhiều hoài nghi, khám phá những bí mật đang ẩn sau lớp màn lạnh lẽo của không gian.