Khi bạn hỏi một nhà thiên văn nào đó về quỹ đạo của Kính thiên văn vũ trụ James Webb, họ sẽ nói với bạn những thứ nghe như trong truyện khoa học viễn tưởng vậy. Webb sẽ không quay xung quanh Trái đất – thay vào đó, chúng ta sẽ gửi nó đi gần một triệu dặm ra ngoài không gian đến một nơi gọi là “L2”.
Năm điểm Lagrange đối với hệ Mặt trời-Trái đất. Một vật đặt tại bất kì điểm nào trong số 5 điểm này sẽ vẫn ở yên tại chỗ so với hai vật kia. Ảnh: NASA
L2 là tên viết tắt cho Điểm Lagrange thứ hai, một sự tình cờ tuyệt vời của lực hấp dẫn và cơ học quỹ đạo, và là nơi hoàn hảo để đặt kính thiên văn Webb trong không gian. Có 5 cái gọi là “Điểm Lagrange” – những nơi tại đó lực hấp dẫn của mặt trời và Trái đất cân bằng chuyển động quỹ đạo của một vệ tinh. Đặt một phi thuyền tại bất kì điểm nào trong số này cho phép nó đứng yên tại một vị trí cố định so với Trái đất và mặt trời với lượng năng lượng tối thiểu cần thiết cho sự hiệu chỉnh hành trình bay.
Thuật ngữ L2 nghe có vẻ thuộc về tương lai và bí ẩn, nhưng tên gọi đó thật ra là để tôn vinh một nhà toán học chào đời tận năm 1736. Các điểm Lagrange đặt theo tên nhà toán học gốc Italy và nhà thiên văn học Joseph-Louis Lagrange, người đã có những đóng góp quan trọng cho cơ học cổ điển và cơ học thiên thể. Lagrange đã bằng cách “bài toán ba vật” (gọi như vậy vì ba vật đang quay xung quanh nhau) cho Trái đất, mặt trời và mặt trăng vào năm 1764, và vào năm 1772 ông đã tìm ra lời giải; có 5 điểm cố định tại đó bạn có thể đặt một vật và nó vẫn ở yên tại chỗ so với hai vật kia.
Trong trường hợp L2, điều này xảy ra cách Trái đất khoảng 930.000 dặm theo đúng hướng ngược lại với mặt trời. Trái đất, như chúng ta biết, quay xung quanh mặt trời mỗi năm một vòng. Thông thường, một vật thể ở xa mặt trời hơn gần một triệu dặm sẽ chuyển động chậm hơn nhiều, mất hơn một năm để hoàn thành quỹ đạo của nó xung quanh mặt trời. Tuy nhiên, tại điểm L2, chính xác thẳng hàng với Trái đất lẫn mặt trời, lực hấp dẫn tổng cộng của hai vật thể lớn hút theo cùng một chiều cấp thêm năng lượng cho phi thuyền, khóa nó vào sự hợp xướng hoàn hảo với quỹ đạo hàng năm của Trái đất. Kính thiên văn Webb sẽ đặt hơi lệch khỏi điểm cân bằng thật sự một chút, trong một quỹ đạo êm dịu xung quanh L2.
Kính thiên văn vũ trụ James Webb tương quan với quỹ đạo của kính thiên văn Hubble quay xung quanh Trái đất. Ảnh: NASA
Tại sao lại gửi kính thiên văn Webb đến điểm L2? Khi các nhà thiên văn bắt đầu nghĩ tới nơi nên đặt kính thiên văn Webb trong không gian, đã có một vài xem xét trong đầu họ. Trước hết, kính thiên văn Webb sẽ quan sát toàn bộ vũ trụ trong ánh sáng hồng ngoại, cái chúng ta thường nghĩ dưới dạng bức xạ nhiệt. Để cho kính thiên văn có cơ hội tốt nhất phát hiện ra những vật thể xa xôi, mờ nhạt trong vũ trụ, thì đòi hỏi nhiệt độ càng thấp càng tốt.
“Một ưu điểm lớn của không gian sâu thẳm (như L2) khi so với quỹ đạo Trái đất là chúng ta có thể phát nhiệt ra xa”, phát biểu của Jonathan P. Gardner, một nhà khoa học trong dự án. “Webb hoạt động trong vùng hồng ngoại, đó là bức xạ nhiệt. Để nhìn thấy ánh sáng hồng ngoại phát ra từ những ngôi sao và thiên hà xa xôi, kính thiên văn phải có nhiệt độ lạnh. Tấm chắn mặt trời lớn của kính thiên văn Webb sẽ bảo vệ nó khỏi ánh sáng Mặt trời lẫn ánh sáng Trái đất, cho phép nó lạnh đến 225 độ dưới không độ Celsius”. Để cho tấm chắn mặt trời hoạt động hiệu quả, kính thiên văn Webb cần có quỹ đạo sao cho mặt trời và Trái đất nằm ở cùng một phía.
Với mặt trời và Trái đất nằm ở cùng một phía của bầu trời, kính thiên văn Webb sẽ có cái nhìn rộng mở, không bị ngăn trở ra vũ trụ bên ngoài. Để so sánh, Kính thiên văn vũ trụ Hubble nằm trong quỹ đạo Trái đất tầm thấp, trong đó nó đi vào và ra khỏi cái bóng của Trái đất mỗi 90 phút một lần. Tầm nhìn của Hubble bị Trái đất chặn lại trong một phần của mỗi vòng quỹ đạo, làm hạn chế những nơi kính thiên văn có thể quan sát tại bất kì thời điểm nào cho trước.
Kính thiên văn vũ trụ Spitzer, một kính thiên văn hồng ngoại khác, đang ở trong quỹ đạo xung quanh mặt trời và đang trôi giạt ra xa Trái đất. Spitzer đã ở xa Trái đất hơn 100 triệu km, và cuối cùng quỹ đạo của nó sẽ đưa nó sang phía bên kia của mặt trời. Một khi chúng ta không còn liên lạc được với Spitzer nữa thì có nghĩa là đã kết thúc quãng đời hoạt động của nó.
Trái lại, một lợi thế chính của việc đóng đô tại L2 là sự liên lạc thoải mái. Về cơ bản, kính thiên văn Webb sẽ luôn luôn nằm tại một điểm trong không gian. “Chúng ta có thể liên lạc liên tục với Webb thông qua Mạng Không gian Sâu thẳm (DSN)”, Gardner nói. “Trong các hoạt động hàng ngày, chúng ta sẽ gửi đi những chuỗi lệnh và thu dữ liệu về tới hai lần trong một ngày, thông qua DSN. Đài thiên văn có thể thực hiện một chuỗi mệnh lệnh (định hướng và quan sát) một cách tự động. Điển hình, chúng ta sẽ tải lên một lúc toàn bộ lệnh làm việc trong một tuần, và sau đó thì cập nhật hàng ngày theo nhu cầu”.
Trước khi có kính thiên văn Webb, L2 đã được các nhà thiên văn biết đến là một chốt quan trọng cho các đài thiên văn đặt trong vũ trụ. Đã có một vài vệ tinh đặt trong quỹ đạo L2, bao gồm Tàu khảo sát Vi sóng Phi đẳng hứng Wilkinson, và các đài thiên văn Herschel và Planck. Nhưng còn có rất nhiều chỗ cho những láng giềng khác, và kính thiên văn Webb sẽ thẳng tiến đến L2 trong tương lai gần.
Kính thiên văn Webb là dự án hợp tác của NASA, Cơ quan Vũ trụ châu Âu và Cơ quan Vũ trụ Canada.
- Xuân Nguyễn (theo PhysOrg.com)
