Khám Phá Siêu Dự Án Kính Thiên Văn Hướng Đến Các Hành Tinh Ngoài Trái Đất

Những hình ảnh về các hành tinh ngoài Hệ Mặt Trời mà con người đã ghi nhận được vẫn chỉ là những điểm sáng nhỏ bé. Sự phát triển của công nghệ quan sát không đủ giúp chúng ta có cái nhìn rõ ràng về các hành tinh này. Vậy, để có thể khám phá rõ ràng bề mặt của những hành tinh giống như Trái Đất, chúng ta cần một kính thiên văn có kích thước khổng lồ đến mức nào?

Câu hỏi này dẫn chúng ta đến một bài toán quang học thú vị. Độ phân giải hình ảnh phụ thuộc vào kích thước gương chính của kính thiên văn. Theo các định luật hiện có về nhiễu xạ ánh sáng, để có thể thu được hình ảnh chỉ với 100 điểm ảnh của một hành tinh ở khoảng cách hàng chục năm ánh sáng, chúng ta cần một kính thiên văn với khẩu độ gương dài tới 160 km.

Nếu chúng ta nhìn vào kính thiên văn James Webb hiện tại, khẩu độ chỉ đạt 6,5 mét, cho thấy sự chênh lệch quá lớn. Cách tiếp cận bằng việc sử dụng mảng kính thiên văn giao thoa trên Mặt Trăng cũng không khả thi, do lượng ánh sáng thu nhận được không đủ và cần thời gian phơi sáng hàng trăm năm.

Giải pháp thực sự để vượt qua vấn đề này đã được nhà vật lý Albert Einstein đề xuất từ rất lâu. Theo thuyết tương đối tổng quát, khối lượng lớn có thể làm cong không gian-thời gian, khiến ánh sáng gần nó bị lệch hướng. Trường hợp của việc quan sát nhật thực năm 1919 đã chứng minh điều này.

Đáng chú ý, nếu Mặt Trời có khả năng hội tụ ánh sáng từ một hướng nhất định, nó có thể hoạt động như một thấu kính khổng lồ với đường kính lên tới 1,39 triệu km. Thấu kính hấp dẫn này có khả năng phóng đại ánh sáng lên đến 100 tỷ lần, cho phép đạt được độ phân giải vượt trội hơn bất kỳ thiết bị nào mà con người có thể chế tạo.

Tuy nhiên, điều này cũng đặt ra một thách thức. Tiêu điểm mà ánh sáng hội tụ sẽ rất xa, với khoảng cách bắt đầu từ 547 đơn vị thiên văn (AU), xa gấp 13 lần quỹ đạo của Sao Diêm Vương. Tàu Voyager 1 sau gần nửa thế kỷ di chuyển vẫn chưa đi được một phần ba quãng đường này.

Nhờ vào sự đầu tư của chương trình NIAC của NASA, nhà vật lý Slava Turyshev đã phát triển thành công các phương trình cơ học lượng tử liên quan đến tiêu điểm hấp dẫn, biến ý tưởng này thành một kế hoạch chi tiết khả thi.

Theo nghiên cứu của NIAC, ánh sáng từ những hành tinh mục tiêu, sau khi đi qua Mặt Trời, sẽ bị nén thành một cột sáng có đường kính chỉ 1,3 km, tạo thành hiệu ứng vòng Einstein. Tàu vũ trụ sẽ di chuyển trong cột sáng này để thu thập dữ liệu và sử dụng các thuật toán máy tính để tái tạo bề mặt hành tinh.

Với một kính thiên văn có kích thước vững chắc, khi quan sát các hành tinh cách xa 98 năm ánh sáng trong 6 tháng, chúng ta có khả năng tái tạo hình ảnh ở độ phân giải khoảng 25 km (điều kiện lý tưởng có thể đạt 10 km).

Điều này cho phép chúng ta nhìn thấy rõ hình dáng của đại dương, lục địa, các chỏm băng và các dãy núi. Kỹ sư Nitin Arora thuộc NASA đã khẳng định rằng công chúng sẽ có thể chiêm ngưỡng được những hồ nước, các đại dương và dãy núi trên những hành tinh đó.

Đương nhiên, thách thức lớn nhất vẫn là khoảng cách 548 AU. Với công nghệ hiện tại, tên lửa hóa học sẽ cần hàng trăm năm để di chuyển. Để giải quyết vấn đề này, NIAC đã đề xuất phương pháp sử dụng cánh buồm Mặt Trời, cho phép tàu vũ trụ di chuyển sát điểm cận nhật và sau đó bung 16 cánh buồm mỏng, sử dụng áp suất ánh sáng để tăng tốc lên 150 km/giây, rút ngắn thời gian xuống còn vài thập kỷ.

Kế hoạch cũng chuyển hướng sang việc sử dụng đàn vệ tinh nhỏ để giảm chi phí, cho phép quan sát nhiều hành tinh đồng thời và hạn chế tác động của mây che phủ. Turyshev cũng đang thúc đẩy dự án Sundiver nhằm rút ngắn thời gian bay xuống chỉ còn 20 năm.

Khác với phương pháp vi thấu kính thụ động chỉ làm một lần rồi bỏ lỡ cơ hội quan sát, sứ mệnh thấu kính hấp dẫn Mặt Trời là một dự án thám hiểm chủ động, có mục tiêu quan sát lâu dài một hành tinh tiềm năng.

Ý tưởng này từng được Claudio Maccone nêu ra vào năm 1993但 chưa được chấp thuận, nhưng giờ đây, nó đang tiến gần hơn đến hiện thực. Chỉ cần có một đôi mắt nhân tạo đạt tới khoảng cách 548 AU, chúng ta có thể chuyển từ lý thuyết xác suất về sự sống ngoài Trái Đất thành những quan sát thực tế đầy sống động.