Roman sẽ mở rộng góc nhìn của nhân loại về vũ trụ như thế nào?

Kính viễn vọng sẽ hoạt động ở đâu?

Sau khi rời Trái đất, Roman sẽ di chuyển đến khu vực gần điểm L2 của hệ Mặt trời–Trái đất, cách Trái đất khoảng 1,5 triệu km theo hướng ngược với Mặt trời. Vị trí này giúp kính viễn vọng duy trì hình học quan sát phù hợp cho các cuộc khảo sát hồng ngoại quy mô lớn.

Vì sao NASA xây dựng Roman?

Roman được thiết kế để giải quyết một số câu hỏi lớn nhất của vật lý thiên văn hiện đại:

• Năng lượng tối: Điều gì đang khiến vũ trụ giãn nở ngày càng nhanh?
• Vật chất tối: Thành phần vô hình này phân bố ra sao và đã góp phần hình thành cấu trúc vũ trụ như thế nào?
• Ngoại hành tinh: Có bao nhiêu hành tinh nằm ngoài Hệ Mặt trời, đặc biệt là những thế giới lạnh, nhẹ hoặc trôi nổi tự do?
• Tiến hóa thiên hà: Thiên hà và chuẩn tinh đã biến đổi ra sao trong hàng tỷ năm?
• Thiên văn học hồng ngoại: Ánh sáng hồng ngoại có thể tiết lộ gì về các vùng bị che phủ bởi bụi, những thiên hà xa xôi, các ngôi sao và hệ hành tinh?

Điểm khác biệt cốt lõi của Roman là nó không dành phần lớn thời gian để quan sát từng vật thể cực mờ. Thay vào đó, kính viễn vọng sẽ nhanh chóng khảo sát các vùng trời rộng, giúp các nhà thiên văn tìm ra vật thể hiếm, hiện tượng thoáng qua và những biến đổi rất nhỏ trong cấu trúc vũ trụ. Khi số lượng quan sát đủ lớn, các tín hiệu khoa học có thể được phân biệt rõ hơn với những dao động ngẫu nhiên.

Lợi thế “trường nhìn rộng” của Roman

Thiết bị khoa học chính của Roman là Wide Field Instrument (WFI) – một camera hồng ngoại 300 megapixel có trường nhìn lớn hơn ít nhất 100 lần so với Hubble. Mỗi ảnh có thể bao phủ một vùng trời lớn hơn diện tích biểu kiến của Mặt trăng tròn, đồng thời vẫn duy trì khả năng tạo ảnh với độ phân giải dưới một giây cung.

Sự kết hợp giữa trường nhìn rộng và hình ảnh sắc nét mang lại cho Roman bốn lợi thế chính:

1. Khảo sát nhiều bầu trời hơn trong mỗi lần chụp: Roman có thể lập bản đồ diện rộng với thời gian quan sát ít hơn các kính thiên văn trường nhìn hẹp.
2. Tăng cơ hội phát hiện vật thể hiếm: Một góc nhìn lớn hơn giúp bắt gặp nhiều thiên hà bất thường, vật thể biến đổi và sự kiện vũ trụ ngắn ngủi hơn.
3. Tạo các mẫu thống kê mạnh hơn: Những danh mục thiên thể khổng lồ giúp các nhà khoa học đo lường chính xác hơn và giảm ảnh hưởng của sai số ngẫu nhiên.
4. Tìm mục tiêu cho các quan sát tiếp theo: Hubble, Webb và các đài quan sát mặt đất có thể nghiên cứu chi tiết những vật thể đặc biệt đáng chú ý.

NASA ước tính Roman có thể đo ánh sáng từ khoảng 1 tỷ thiên hà trong suốt vòng đời nhiệm vụ. Trong 5 năm đầu, kính thiên văn dự kiến tạo ra hơn 20 petabyte dữ liệu, với lượng dữ liệu truyền về khoảng 11 terabit mỗi ngày.

Roman sẽ quan sát những gì?

Chương trình quan sát của Roman gồm ba khảo sát cộng đồng cốt lõi cùng nhiều chương trình thiên văn học tổng quát. Ba khảo sát chính là:

• Khảo sát diện rộng vĩ độ cao;
• Khảo sát biến thiên theo thời gian ở vĩ độ cao;
• Khảo sát biến thiên theo thời gian ở vùng phình thiên hà – khu vực dày đặc sao hướng về trung tâm Dải Ngân hà.

Khảo sát diện rộng sẽ kết hợp chụp ảnh và quang phổ trên hàng nghìn độ vuông của bầu trời. Mục tiêu chính là lập bản đồ phân bố thiên hà, đo hình dạng của các thiên hà xa và theo dõi lịch sử giãn nở của vũ trụ. Tuy nhiên, cùng một bộ dữ liệu cũng có thể phục vụ nghiên cứu các vật thể trong Hệ Mặt trời, cấu trúc Dải Ngân hà, thiên hà lân cận, chuẩn tinh và sự tiến hóa của thiên hà đến thời kỳ tái ion hóa.

Dữ liệu từ các quan sát của Roman dự kiến được công khai sau khi xử lý, không áp dụng giai đoạn độc quyền truy cập hạn chế. Điều này cho phép nhiều nhóm nghiên cứu cùng khai thác dữ liệu và tìm kiếm những phát hiện nằm ngoài các mục tiêu nổi bật nhất của nhiệm vụ.

Roman tìm hiểu năng lượng tối và vật chất tối ra sao?

Để nghiên cứu năng lượng tối, Roman sẽ đo đồng thời hai yếu tố: vũ trụ đã giãn nở như thế nào và cấu trúc vật chất đã phát triển ra sao theo thời gian. Các phương pháp chính gồm đo khoảng cách đến siêu tân tinh, nghiên cứu dịch chuyển đỏ của thiên hà và dao động âm baryon, cùng quan sát thấu kính hấp dẫn yếu.

Thấu kính hấp dẫn yếu đặc biệt quan trọng đối với việc lập bản đồ vật chất tối. Trọng lực của vật chất nằm giữa Roman và các thiên hà nền sẽ làm đường đi của ánh sáng hơi cong, khiến hình dạng biểu kiến của các thiên hà bị biến dạng rất nhỏ. Khi đo những biến dạng có tính liên kết trên một vùng trời rộng, các nhà thiên văn có thể lập bản đồ tổng lượng vật chất – bao gồm cả vật chất tối không phát ra hoặc phản xạ ánh sáng mà chúng ta có thể phát hiện trực tiếp.

Việc so sánh lịch sử giãn nở với tốc độ hình thành cấu trúc vũ trụ sẽ kiểm tra nhiều cách giải thích khác nhau về sự tăng tốc của vũ trụ. Kết quả có thể cho thấy năng lượng tối hoạt động đúng như các mô hình hiện nay dự đoán, hoặc gợi ý rằng hiểu biết của con người về lực hấp dẫn và vũ trụ học cần được điều chỉnh.

Roman sẽ tìm ngoại hành tinh bằng cách nào?

Trong khảo sát vùng phình thiên hà, Roman sẽ liên tục quan sát một khu vực dày đặc sao gần trung tâm Dải Ngân hà. Kính viễn vọng sử dụng vi thấu kính hấp dẫn – hiện tượng trong đó trọng lực của một ngôi sao ở phía trước tạm thời khuếch đại ánh sáng từ một ngôi sao nền ở xa hơn.

Nếu ngôi sao phía trước có hành tinh, hành tinh đó có thể tạo ra một tín hiệu bổ sung rất ngắn trong đường cong sáng. Phương pháp này đặc biệt hữu ích để tìm các hành tinh lạnh, hành tinh khối lượng nhỏ và những thế giới trôi nổi tự do – các đối tượng khó phát hiện bằng phương pháp quá cảnh hoặc đo vận tốc xuyên tâm.

Roman cũng mang theo Coronagraph Instrument, nhưng đây là thiết bị trình diễn công nghệ chứ không phải camera khảo sát chính. Bằng cách che hoặc triệt bớt ánh sáng chói từ ngôi sao chủ, thiết bị sẽ thử nghiệm khả năng chụp trực tiếp các hành tinh cỡ Sao Mộc đã trưởng thành, quay quanh những ngôi sao giống Mặt trời ở gần. Kết quả có thể hỗ trợ phát triển các đài quan sát tương lai có khả năng chụp những hành tinh nhỏ hơn, thậm chí tương tự Trái đất.

Hai thiết bị khoa học của Roman

Wide Field Instrument

WFI là thiết bị khoa học chủ lực của Roman. Nó sẽ thực hiện chụp ảnh hồng ngoại diện rộng và quang phổ bằng nhiều bộ lọc, một cách tử nhiễu xạ và một lăng kính độ phân giải thấp. Các khả năng này phục vụ những chương trình chính về vũ trụ học, tiến hóa thiên hà, thiên văn học biến thiên theo thời gian và ngoại hành tinh bằng vi thấu kính.

Coronagraph Instrument

Coronagraph Instrument tập trung vào công nghệ chụp ảnh trực tiếp có độ tương phản cao. Nhiệm vụ của nó là thử nghiệm các phương pháp ngăn hoặc triệt ánh sáng sao để phát hiện những hành tinh mờ hơn rất nhiều khi nằm cạnh ngôi sao chủ. Đây là hướng phát triển công nghệ quan trọng, nhưng thế mạnh làm nên dấu ấn của Roman vẫn là năng lực khảo sát toàn cảnh của WFI.

Roman khác Hubble và Webb như thế nào?

Roman không được xây dựng để thay thế Hubble hay Kính viễn vọng không gian James Webb. Ba đài quan sát này đảm nhiệm các chiến lược quan sát khác nhau:

• Roman: Quét nhanh những vùng trời rộng, tìm kiếm quần thể thiên thể, hiện tượng biến thiên, quy luật thống kê và các mục tiêu đáng chú ý.
• Hubble: Tiếp tục cung cấp hình ảnh sắc nét cùng kho dữ liệu lịch sử lâu dài về những vật thể và vùng không gian được chọn.
• Webb: Nghiên cứu các mục tiêu cụ thể với độ chi tiết cao hơn, đồng thời quan sát sâu hơn vào quá khứ vũ trụ ở các bước sóng hồng ngoại dài hơn.

NASA tóm tắt sự khác biệt khá trực quan: Roman khảo sát những vùng trời rộng, còn Hubble và Webb tập trung vào từng vật thể hoặc khu vực cụ thể. Vì vậy, bản đồ lớn do Roman tạo ra có thể đóng vai trò lớp dữ liệu khám phá và bối cảnh, giúp các kính thiên văn khác chọn đúng những mục tiêu có giá trị khoa học cao để quan sát chuyên sâu.

Tác động lớn nhất của Roman có thể nằm ở quy mô dữ liệu

Những phát hiện được nhắc đến nhiều nhất từ Roman có thể là các hành tinh mới, phép đo chính xác hơn về năng lượng tối và bản đồ chi tiết về cấu trúc vũ trụ. Nhưng đóng góp rộng hơn của nhiệm vụ sẽ đến từ việc kết hợp hình ảnh hồng ngoại sắc nét, quang phổ, các quan sát lặp lại và quyền truy cập mở vào những bộ dữ liệu khổng lồ.

Cách tiếp cận này cho phép các nhà thiên văn nghiên cứu đồng thời những câu hỏi ở quy mô lớn – vũ trụ giãn nở thế nào, cấu trúc hình thành ra sao – và vô số vấn đề cụ thể hơn, từ vùng trung tâm đông đúc của Dải Ngân hà đến các thiên hà xa xôi và những hệ hành tinh chưa từng biết đến.

Đổi mới quan trọng nhất của Roman không chỉ là nhìn xa hơn. Đó là khả năng nhìn thấy nhiều hơn rất nhiều phần của bầu trời trong cùng một lần quan sát, biến vũ trụ từ tập hợp các vật thể riêng lẻ thành một “bản điều tra dân số” khổng lồ có thể đo đếm và phân tích như một quần thể.