Sau gần hai thập kỷ phát triển, với kinh phí 4,3 tỷ USD cùng công sức của hàng trăm nhà khoa học và kỹ sư của Cơ quan Hàng không vũ trụ Mỹ (NASA), kính viễn vọng không gian Nancy Grace Roman hiện chỉ còn chưa đầy ba tháng nữa là tới ngày được phóng vào không gian.

Theo kế hoạch, một khi được đưa vào vị trí cách Trái Đất khoảng 1,6 triệu km, kính viễn vọng này sẽ thực hiện nhiệm vụ khảo sát vũ trụ, ghi lại những bức toàn cảnh chứa hàng trăm triệu ngôi sao và hàng tỷ thiên hà. Thông qua đài quan sát thế hệ mới này, NASA kỳ vọng sẽ làm sáng tỏ những bí ẩn về vật chất tối và năng lượng tối, đồng thời phát hiện hàng nghìn hành tinh nằm ngoài Hệ Mặt Trời.

Điểm đặc biệt của Roman nằm ở khả năng khảo sát và lập bản đồ bầu trời trên quy mô chưa từng có, với tốc độ nhanh hơn hàng trăm lần so với các thế hệ trước.

Bà Julie McEnery, nhà khoa học dự án cấp cao của chương trình Roman tại Trung tâm Bay Không gian Goddard của NASA, cho biết chỉ trong một tháng thu thập dữ liệu, Roman có thể quan sát những khu vực còn ít được nghiên cứu trong dải ngân hà, khảo sát các ngôi sao trên một lát cắt sâu của thiên hà và xây dựng cơ sở dữ liệu thiên văn lớn hơn bất kỳ danh mục nào hiện nay.

“Trong 5 năm đầu tiên của sứ mệnh, Roman được kỳ vọng sẽ phát hiện hơn 100.000 thế giới xa xôi, hàng trăm triệu ngôi sao và hàng tỷ thiên hà”, bà nói.

Kính viễn vọng được đặt theo tên Nancy Grace Roman – người trở thành Trưởng bộ phận Thiên văn học đầu tiên của NASA vào năm 1959. Khi đi vào hoạt động, Roman sẽ gia nhập đội ngũ khoảng một chục kính thiên văn không gian hiện có của NASA, phục vụ nhiều mục tiêu nghiên cứu khoa học khác nhau.

Trong những ngày cuối cùng tại phòng sạch, nơi NASA lắp ráp từng bộ phận của kính trong suốt một thập kỷ qua, đài quan sát có kích thước tương đương một chiếc xe buýt sẽ được hoàn thiện những khâu cuối cùng, đóng gói. Người ta sẽ chuyển nó tới Baltimore, sau đó được đưa bằng sà lan đến Trung tâm Vũ trụ Kennedy ở bang Florida để chuẩn bị cho vụ phóng dự kiến vào ngày 30/8.

“Cảm giác giống như những đứa con chuẩn bị rời nhà để vào đại học”, bà McEnery chia sẻ khi đứng bên cửa kính nhìn xuống phòng sạch. “Thật sự rất xúc động.”

Năng lực quan sát phi thường

Quy mô công việc của Roman là điều khó có thể hình dung bằng trực giác thông thường.

“Nếu ghép một bức ảnh duy nhất từ chương trình khảo sát chính của Roman và hiển thị đầy đủ bằng các màn hình TV 4K, bạn sẽ cần hơn nửa triệu chiếc TV”, bà McEnery cho biết. “Nếu xếp toàn bộ số màn hình đó cạnh nhau, chúng sẽ phủ kín 45 dãy phố trong thành phố, hoặc bao trọn vách đá El Capitan nổi tiếng ở Công viên Quốc gia Yosemite”.

Chương trình khảo sát chính này sẽ kéo dài hơn một năm, trong đó kính viễn vọng sẽ hướng về vùng trung tâm dày đặc sao của Dải Ngân hà, còn gọi là vùng phình thiên hà (galactic bulge).

Đây là một trong ba chương trình khảo sát trọng tâm của Roman. Một chương trình khác sẽ quét khoảng 12% toàn bộ bầu trời chỉ trong chưa đầy một năm rưỡi. Bản đồ vũ trụ thu được sẽ giúp các nhà thiên văn đo lường tốc độ giãn nở của vũ trụ, từ đó cung cấp manh mối về hai hiện tượng bí ẩn nhất hiện nay: vật chất tối và năng lượng tối.

Theo các nhà khoa học, năng lượng tối được cho là nguyên nhân thúc đẩy sự giãn nở ngày càng nhanh của vũ trụ, trong khi vật chất tối được cho là chiếm phần lớn vật chất trong các thiên hà. Tuy nhiên, cả hai đều không thể quan sát trực tiếp và chỉ được suy luận thông qua các tác động hấp dẫn mà chúng tạo ra.

“Chúng tôi tin rằng Roman sẽ cung cấp bộ dữ liệu mang tính quyết định để giúp nhân loại hiểu rõ hai bí ẩn song sinh là vật chất tối và năng lượng tối”, ông Dominic Benford, nhà khoa học phụ trách chương trình Roman tại trụ sở NASA ở Washington D.C., cho biết.

Chương trình khảo sát thứ ba sẽ tập trung nghiên cứu các vụ nổ siêu tân tinh xảy ra cách đây tới 8 tỷ năm. Việc nhìn sâu vào quá khứ của vũ trụ sẽ giúp các nhà thiên văn truy vết lịch sử giãn nở của vũ trụ và tiếp tục tìm kiếm lời giải cho bản chất của năng lượng tối.

Roman thường được so sánh với kính viễn vọng không gian Hubble, được đưa vào không gian năm 1990. Hai thiết bị có kích thước tương đương nhau, gần bằng một xe đầu kéo container và đều mang thiết kế hình trụ. Tuy nhiên, Roman được kỳ vọng có thể khảo sát vũ trụ nhanh gấp 1.000 lần Hubble, đồng thời mỗi bức ảnh ghi nhận vùng trời rộng hơn ít nhất 100 lần.

“Để dễ hình dung, một tháng quan sát của Roman tương đương khoảng một thế kỷ làm việc của Hubble”, bà McEnery nói.

Một ví dụ điển hình là bức ảnh toàn cảnh nổi tiếng về thiên hà Andromeda do Hubble thực hiện, vốn được ghép từ hơn 400 lần quan sát riêng lẻ. Với trường nhìn rộng của Roman, cùng khung cảnh đó chỉ cần hai lần chụp.

Cả Hubble và Roman đều sử dụng kỹ thuật quang phổ học (spectroscopy), tức tách ánh sáng thành các bước sóng hoặc màu sắc khác nhau. Bằng cách phân tích những mẫu tín hiệu này, các nhà thiên văn có thể xác định kích thước, nhiệt độ và thành phần hóa học của các vật thể trong không gian.

Roman sẽ hoạt động tại điểm L2 - một trong các điểm Lagrange, nơi lực hấp dẫn của Mặt Trời và Trái Đất cân bằng nhau, cho phép kính duy trì quỹ đạo ổn định. Trong số năm điểm Lagrange tồn tại trong hệ Mặt Trời, L2 cũng là nơi đặt Kính viễn vọng Không gian James Webb kể từ năm 2021.

Theo ông Benford, khi đi vào hoạt động, Roman sẽ tạo nên sự phối hợp hiệu quả với cả Hubble và Webb.

“Chúng ta có thể phát hiện một vùng hình thành sao hoàn toàn mới trong thiên hà của mình nhờ Roman. Sau đó, các công cụ mạnh mẽ của Hubble sẽ được sử dụng để nghiên cứu chi tiết khu vực đó. Webb cũng có thể làm điều tương tự. Nhưng trước hết, chúng ta cần Roman để tìm ra những mục tiêu đáng quan tâm ấy”, ông nói.

Vượt tiến độ, giảm dự toán

Dominic Benford tham gia dự án Roman từ khi nó mới chỉ là một ý tưởng trên giấy cách đây gần 20 năm.

“Thật khó tin rằng sau gần hai thập kỷ làm việc với dự án này, khoảnh khắc đưa kính viễn vọng Nancy Grace Roman tới Florida rồi phóng vào không gian đã ở ngay trước mắt. Và có lẽ tôi sẽ không bao giờ được nhìn thấy nó lần nữa”, ông chia sẻ.

Tên gọi của kính là sự tri ân dành cho Nancy Grace Roman, người được xem là một trong những nhà tiên phong của ngành thiên văn học không gian hiện đại. Sinh năm 1925 và qua đời năm 2018, bà thường được gọi là “Mẹ đẻ của Kính viễn vọng Hubble” bởi vai trò quan trọng trong việc vận động Quốc hội Mỹ phê duyệt dự án Hubble.

Khác với nhiều chương trình khoa học quy mô lớn khác của NASA, dự án Roman không chỉ hoàn thành vượt tiến độ mà còn tiêu tốn ít kinh phí hơn dự toán ban đầu.

“Đưa được đài quan sát này vào không gian là mục tiêu lớn trong sự nghiệp của tôi. Có những thời điểm việc đó giống như một cuộc chiến không hồi kết”, Benford nói.

Dự án từng phải vượt qua nhiều trở ngại, bao gồm đại dịch Covid-19 và hai đợt đóng cửa chính phủ kéo dài nhất trong lịch sử nước Mỹ. Ban đầu, NASA đặt mục tiêu phóng Roman muộn nhất vào tháng 5/2027.

Theo kế hoạch hiện nay, kính sẽ được đưa lên quỹ đạo bằng tên lửa Falcon Heavy của SpaceX. Sau khi rời Trái Đất, Roman sẽ mất hơn ba tháng nữa để tới vị trí hoạt động. Các kỹ sư sẽ tiếp tục kiểm tra và hiệu chỉnh hệ thống trước khi bắt đầu các quan sát khoa học chính thức.

Nếu mọi việc diễn ra đúng kế hoạch, những hình ảnh đầu tiên do Roman thu nhận có thể được công bố vào cuối năm nay.

“Có thể là vào dịp Giáng sinh. Hy vọng đó sẽ là một món quà đặc biệt”, Benford nói.

Hiện NASA chưa có thêm dự án kính thiên văn không gian lớn nào đang ở giai đoạn triển khai. Cơ quan này từng đề xuất dự án Habitable Worlds Observatory nhằm tìm kiếm dấu hiệu sự sống trên các ngoại hành tinh. Song ngay cả khi được phê duyệt, dự án này cũng khó có thể đưa một thiết bị phức tạp như vậy vào không gian trước thập niên 2040.

Vì vậy, sự kiện Roman chuẩn bị cất cánh mang ý nghĩa đặc biệt đối với đội ngũ kỹ sư và nhà khoa học tại Goddard, trong đó có nhiều người từng tham gia các chương trình Hubble và James Webb.

“Phấn khích thôi có lẽ vẫn chưa đủ để miêu tả cảm xúc vào lúc này. Tôi đã dành một nửa sự nghiệp của mình cho dự án”, kỹ sư hệ thống nhiệm vụ Mark Melton chia sẻ. Ông cho biết có thể sẽ không kìm được nước mắt khi kính viễn vọng chính thức được triển khai ngoài không gian.

“Ngày trước nó chỉ là những bản vẽ trên giấy. Giờ đây, nó đã trở thành hiện thực”.