Những thành tựu mới nhất của kính James Webb định hình lại hiểu biết về vũ trụ

1. Chuyện gì đã xảy ra?

Mới đây, trong hai nghiên cứu được xuất bản trên tờ Nature Astronomy, kính thiên văn James Webb đã xác định được 4 thiên hà xa nhất, lâu đời nhất từng được quan sát.

Một trong số chúng (thiên hà JADES-GS-z13-0) hình thành trong khoảng 350 triệu năm sau vụ nổ Big Bang, tức là trong thời điểm vũ trụ vẫn còn trong trạng thái sơ khai. Ánh sáng từ thiên hà đó đã di chuyển trong 13,4 tỷ năm trước khi tới được kính thiên văn James Webb.

Bốn thiên hà này được hình thành trong thời kỳ được gọi là "kỷ nguyên tái ion hoá" (reionization era), hay thời kỳ mà những ngôi sao đầu tiên xuất hiện. Các thiên hà này cũng rất nghèo kim loại. Điều này phù hợp với các lý thuyết vũ trụ học, vì nếu một thiên hà xuất hiện gần với vụ nổ Big Bang, thì càng ít thời gian để kim loại được hình thành.

Điểm bất hợp lý đối với lý thuyết vũ trụ hiện đại là các thiên hà này có tốc độ phát triển quá nhanh. Theo lý thuyết, những thiên hà phát triển chậm từ những điểm khởi đầu rất nhỏ, chỉ bằng từ 1/10 đến 1/100 kích thước ngày nay. Tuy vậy các thiên hà cổ đại được phát hiện có kích thước quá lớn. Giải ngân hà của chúng ta mất số thời gian bằng số tuổi của vũ trụ để tập hợp các ngôi sao như hiện nay, trong khi các thiên hà cổ đại trên chỉ mất khoảng 700 triệu năm để đạt mức phát triển tương tự. Tức là chúng có tốc độ phát triển nhanh gấp 20 lần so với tốc độ của dải ngân hà.

Điều đó cũng có nghĩa là vũ trụ đang giãn nở với tốc độ nhanh hơn nhiều so với các nhà khoa học từng nghĩ.

2. Kính James Webb chụp ảnh các thiên hà cổ đại như thế nào?

Nhìn vào và ghi lại hình ảnh của vũ trụ ở những thời kỳ cổ xưa là nhiệm vụ lớn mà kính viễn vọng James Webb đảm nhận. Ánh sáng từ những vật thể được hình thành trong khoảng 1 tỉ năm sau sự kiện Big Bang rất mờ nhạt và được truyền đi từ rất xa. Trong khi đó, sự giãn nở của vũ trụ tác động khiến ánh sáng bị ảnh hưởng và các bước sóng ghi được sẽ đi về phía đỏ hơn của quang phổ, hiện tượng này được gọi là dịch chuyển đỏ (redshift).

James Webb là kính viễn vọng mạnh nhất từng được phóng vào không gian. Nó được thiết kế để phát hiện dịch chuyển đỏ. Để đo được sự dịch chuyển đỏ một cách chắc chắn, ánh sáng cần được chia nhỏ thành các bước sóng cấu thành nó, một kỹ thuật được gọi là quang phổ học.

Một nhóm các nhà nghiên cứu đã chia ánh sáng từ kính viễn vọng James Webb thành chín dải bước sóng, tập trung vào bốn thiên hà có độ dịch chuyển đỏ cao, hai trong số đó được xác định lần đầu tiên bởi Hubble.

3. Đâu là những thành tựu mới nhất của kính James Webb?

4. Kính James Webb khác gì kính Hubble?

Trước khi James Webb đi vào hoạt động, Hubble là kính thiên văn mạnh nhất và lớn nhất con người từng phóng vào vũ trụ. Những khám phá vũ trụ nhờ Hubble bao gồm tốc độ vũ trụ giãn nở, phát hiện Mặt trăng thứ năm xung quanh sao Diêm Vương và khám phá ra rằng những hố đen siêu lớn nằm ở trung tâm của hầu hết các thiên hà lớn.

NASA không muốn coi James Webb là kính viễn vọng không gian sẽ thay thế Hubble. Thay vào đó, họ muốn coi James Webb là kế nhiệm của kính viễn vọng trước. Nó có nhiệm vụ giống như Hubble nhưng có phương pháp thu thập thông tin khác biệt.

Đầu tiên, Hubble là một kính thiên văn quang học. Nó quan sát được chính xác những gì chúng ta có thể nhìn thấy, và có lấn một chút sang dải tử ngoại và dải hồng ngoại nhưng không nhiều. Trong khi đó, James Webb là một kính không gian hồng ngoại có thể ghi được một phần của dải biểu kiến cho tới một phần đáng kể của dải hồng ngoại. Hình ảnh chúng ta thấy là hình ảnh đã được xử lý qua phần mềm, trong đó các bước sóng hồng ngoại được hiển thị dưới dạng màu sắc.

Tiếp theo, Hubble và James Webb có quỹ đạo khác nhau. Kính Hubble có quỹ đạo xoay quanh Trái đất, cách mực nước biển khoảng 570 km. Còn James Webb được phóng vào điểm L2 (một trong các điểm Lagrange - nơi một khối lượng nhỏ có thể quay theo một hình không đổi so với hai khối lượng lớn hơn, mà ở đây là Trái đất và Mặt trời). Điểm L2 nằm cách Trái đất 1,5 triệu km, ở bên kia so với Mặt trời.

5. Các khám phá trên có đóng góp gì cho đời sống của chúng ta?

Tưởng như xa vời, song các dự án xoay quanh kính viễn vọng James Webb có thể giúp chúng ta có cái nhìn rõ rệt hơn về lịch sử hình thành và phát triển của vũ trụ. Từ đó, ta xác định được vị trí của mình bên trong sự rợn ngợp của tạo hoá.

Các dự án vũ trụ cũng giúp tìm ra các nguyên tố hoá học cần thiết cho sự sống tại những tinh cầu xa xôi khác. Liệu có những Trái đất khác trong vũ trụ? Liệu đó có phải những ngôi nhà mới của chúng ta, hay đó là những quan sát giúp ta hiểu hơn về bản chất của sự sống?

Cách hố đen vận hành và nhiều hiện tượng quan trọng giúp xây dựng và kiểm chứng các lý thuyết vật lý thiên văn cũng sẽ được kiểm nghiệm qua các quan sát thực nghiệm, mà James Webb là công cụ tối quan trọng để làm điều đó.