Cần nhìn xa hơn, rõ hơn, chính xác hơn
Tất cả bắt đầu vào giữa thập niên 1990, khi các nhà khoa học vũ trụ cho rằng đã đến lúc cần chuẩn bị cho các công trình nghiên cứu thiên văn trong tương lai. Các thiết bị hiện nay - như kính viễn vọng không gian Hubble - chẳng thể tồn tại lâu dài, cho dù đã mang lại nhiều kết quả đáng phấn khởi. Hơn nữa, trong tương lai, các nhà thiên văn học cần nhìn vũ trụ rõ hơn, xa hơn và chính xác hơn.
Khi nói đến kính thiên văn, ai cũng nghĩ đến một chiếc ống chứa đầy thấu kính và gương phản chiếu, nơi mà con người có thể đặt mắt vào để quan sát các hành tinh các ngôi sao và các thiên hà... Thế nhưng, không gian vũ trụ không những chứa đầy hình ảnh động mà còn đầy các tia gam ma cùng sóng vô tuyến, tia X cùng tia hồng ngoại có thể giúp con người phát hiện ra sự đa dạng và phong phú của vũ trụ. Chính vì vậy mà trong tương lai các nhà thiên văn học cần một kính thiên văn có thể vừa nhìn vừa nghe được.
Từ đó, họ quyết định xây dựng một cỗ máy hoàn hảo để lần ngược thời gian. Bởi vì có một phương châm luôn thôi thúc các nhà thiên văn học: càng nhìn xa hơn, càng thấy rõ hơn về quá khứ! Đơn giản là vì các tia mà chúng ta thu nhận được từ các thiên thể cách xa Trái đất hàng triệu, thậm chí hàng tỷ năm ánh sáng. Đến nỗi khi chúng ta đang quan sát chúng trong thời quá khứ thì chúng đang ở thời tương lai.
Một vấn đề hóc búa gây bức xúc cho các nhà thiên văn học là làm sao hiểu rõ được vũ trụ trong thời kỳ sơ khai, tức là cách đây từ 12 đến 15 tỷ năm. Một thời kỳ mà các nhà thiên văn - vật lý gọi là kỷ nguyên đen tối. Trong kỷ nguyên này, vũ trụ không chứa đầy các ngôi sao như bây giờ mà thay vào đó là một khoảng không vô tận đầy khí (chủ yếu là hydro) trông giống như một mạng nhện khổng lồ.
Vậy thì từ bao giờ và làm thế nào mà các ngôi sao và các dải thiên hà xuất hiện? Chúng có được phân bố đều đặn trong không gian hay không? Chúng phát triển như thế nào? Giải đáp được các câu hỏi này và nhiều câu hỏi khác sẽ là điều kiện giúp con người lần ngược lại cội nguồn hình thành Trái đất.
Hệ thống khổng lồ
Khi đã hiểu được vấn đề thì nhiệm vụ quan trọng nhất là tìm cách quan sát xa hơn để có thể nhìn thấy tường tận quá khứ hơn, không những nhờ vào ánh sáng mà còn nhờ vào các tia sóng phát ra từ mớ khí hydro vào thời xa xăm của vũ trụ. Vì vậy cần phải sục vào chốn thẳm xa của vũ trụ để thu được các nguồn tia sóng đó. Cũng giống như việc sử dụng anten parabol để thu nhận sóng truyền hình từ vệ tinh, các nhà thiên văn học sử dụng những anten lớn hơn để thu nhận các tín hiệu từ vũ trụ. Từ đó xuất hiện khái niệm về thế hệ kính thiên văn vô tuyến SKA (Square kilometer array - cách sắp xếp trên một km2).
Thế hệ kính thiên văn vô tuyến SKA được hình thành dựa vào hai nguyên lý cơ bản nhưng đối nghịch nhau. Một là, muốn nhìn được xa hơn cần phải có một anten lớn hớn. Đây là điều hợp lý, bởi vì hãy tưởng tượng nếu chúng ta mở một chiếc ô đi mưa và quay ngược phía trong về hướng mưa rơi. Chiếc ô càng lớn sẽ nhận được càng nhiều lượng hạt mưa. Cũng thế, anten của kính thiên văn vô tuyến càng lớn thì sẽ thu nhận được nhiều tín hiệu hơn. Có điều, các thiên thể càng xa Trái đất chừng nào thì tín hiệu phát ra càng yếu chừng đó. Vì vậy cần phải nới rộng diện tích bề mặt của anten để thu ngắn khoảng cách giữa Trái đất và các thiên thể xa xăm.
Hai là, việc xây dựng một hệ thống anten sẽ giúp cho việc thu nhận tín hiệu và hình ảnh được rõ hơn. Có thể dẫn giải nguyên lý này qua việc đọc một hàng chữ bằng hai mắt của chúng ta. Một mắt sẽ ghi nhận hình ảnh của dòng chữ rồi pha trộn lại với hình ảnh ghi nhận bởi mắt kia để hợp thành một hình ảnh rõ nét nhờ tác động của bộ não. Nguyên lý này cũng được áp dụng đối với thế hệ kính thiên văn vô tuyến SKA: càng tăng số lượng các anten thu nhận tín hiệu và đặt chúng càng cách xa nhau hơn thì sẽ có được hình ảnh và tín hiệu rõ hơn nhờ hoạt động phân tích và tổng hợp của máy tính.
Chính thông qua việc khai thác những nét cơ bản của hai nguyên lý trên mà thế hệ kính thiên văn vô tuyến SKA sẽ mang lại những kết quả tầm cỡ. SKA bao gồm hàng chục trạm anten để thu nhận tối đa các tín hiệu và hình ảnh từ vũ trụ dựa vào năm dự án của Mỹ, Hà Lan, Canada, Australia và Trung Quốc. Đó có thể là những anten khổng lồ có đường kính đến vài trăm mét hay một hệ thống các anten nhỏ hơn trải dài trên một diện tích hàng nghìn km2, nhưng đều phải đạt đến mục tiêu cuối cùng: giúp cho việc quan sát vũ trụ được chính xác và thuận lợi hơn các thế hệ kính thiên văn hiện đại nhất đang được sử dụng hiện nay.
Một ưu điểm của thế hệ kính thiên văn vô tuyến SKA là không những giúp con người hiểu tường tận nguồn gốc vũ trụ mà còn giúp phát hiện nhiều nguồn khác của vũ trụ khi chúng phát ra tín hiệu, như các nền văn minh ngoài vũ trụ (theo chương trình nghiên cứu SETI), hiện tượng phát khí quanh các thiên thạch hay các thiên thể khi chúng bay ngang qua hệ Mặt trời...
Hiện nay, một hội đồng các nhà khoa học thiên văn vũ trụ quốc tế đang tiến hành chọn lựa dự án xây dựng thế hệ kính thiên văn vô tuyến SKA khả thi nhất trong năm dự án để triển khai xây dựng từ năm 2010.
Dự án của Hà Lan (tiến hành xây dựng nhiều trạm anten mà bề mặt của phần nóc được thiết kế hàng trăm thiết bị mang hình dạng như viên ngói để thu nhận tín hiệu; tín hiệu thu nhận được sẽ được chuyển đến một thiết bị phân tích trước khi tổng hợp thành hình ảnh chính xác).
Dự án của Australia xây dựng hàng chục trạm mà mỗi trạm sẽ được thiết kế hàng chục anten hình cầu có đường kính từ 5 đến 7m; một anten hình cầu có chức năng như một lăng kính làm biến dạng kết cấu của tín hiệu để hướng đến thiết bị thu nhận và phân tích.
Dự án của Canada xây dựng tại mỗi trạm một anten duy nhất có đường kính đến 200m, được chia thành nhiều ô nhỏ có tác dụng như lăng kính để làm xoay hướng tín hiệu đến một thiết bị thu nhận và phân tích được treo dưới một khí cầu cách mặt đất 500m.
Dự án của Mỹ xây dựng quanh một trạm trung tâm (có đường kính đến 35km bao gồm 3.500 anten nhỏ) 150 trạm nhỏ hơn được phân bổ theo hình xoắn ốc trên một chu vi đến 2.000 km (bao gồm 200 anten). Tất cả các anten đều được thiết kế theo hình parabol mà tiết diện có thể thay đổi tùy theo vị thế của chúng trong đường xoắn ốc. Tín hiệu thu nhận được từ các anten sẽ được chuyển bằng cáp quang đến một tổ hợp máy tính để xử lý.
Dự án của Trung Quốc tiến hành xây dựng 30 trạm mà mỗi trạm chỉ được thiết kế một anten hình parabol duy nhất có đường kính 200m; mỗi anten sẽ được "chôn trong một thung lũng bao quanh bởi các ngọn đồi ở miền Tây Nam Trung Quốc; thiết bị thu nhận tín hiệu chuyển dịch tự động ở phía trên sẽ giúp cho việc phân tích và sàng lọc tín hiệu cho kết quả chính xác hơn.
Cùng với việc chọn lựa dự án khả thi vào năm 2005, còn có một nguyên tắc "vàng" mà việc xây dựng thế hệ kính thiên văn vô tuyến SKA cần phải bảo đảm. Đó là sự tĩnh lặng tuyệt đối. Bởi vì chỉ cần một tác động nhiễu thông tin hay tín hiệu gây ra bởi sóng truyền hình, sóng vô tuyến, cánh quạt của động cơ máy bay... sẽ hạn chế tính chính xác trong hoạt động tổng hợp và phân tích tín hiệu của hệ thống kính thiên văn vô tuyến SKA.
Hiện nay, các nhà thiên văn học đã xác định có ba địa điểm sẽ được chọn để triển khai xây dựng hệ thống kính thiên văn vô tuyến SKA, đó là một sa mạc ở Bắc Mỹ, một sa mạc ở Australia và vùng cực Nam của Nam Phi. Nếu tất cả diễn ra đúng kế hoạch thì từ năm 2015 đến 2018, con người sẽ được trang bị hệ thống "mắt thần" SKA để được nhìn xa, rõ và tường tận hơn vũ trụ.
