Blog

Ngày 25 tháng 12 năm 2021, khi phần lớn thế giới đang quây quần bên bữa tối Giáng sinh, cả cộng đồng khoa học lại nín thở dõi theo từng giây của vụ phóng lịch sử – Kính viễn vọng Không gian James Webb (James Webb Space Telescope, JWST).
Từ bãi phóng Kourou (Guiana thuộc Pháp), tên lửa Ariane 5 mang theo hy vọng lớn nhất của nhân loại trong thế kỷ XXI: nhìn ngược về thời điểm đầu tiên của Vũ trụ, nơi những ngôi sao và thiên hà đầu tiên ra đời sau vụ nổ Big Bang.

Kính James Webb được xem là người kế nhiệm vĩ đại của Hubble, nhưng nó không chỉ là bản nâng cấp – mà là một bước nhảy lượng tử trong công nghệ quan sát vũ trụ.
Được phát triển trong hơn 25 năm, với chi phí hơn 10 tỷ USD, Webb là sự kết tinh của công nghệ, tri thức, niềm tin và lòng kiên nhẫn của hàng nghìn kỹ sư, nhà vật lý, lập trình viên và chuyên gia điều khiển đến từ NASA, ESA, CSA và nhiều trường đại học hàng đầu thế giới.

Sau khi rời khỏi Trái Đất, Webb phải triển khai chính xác hơn 300 cơ cấu chuyển động – từ tấm gương gấp, tấm chắn nắng khổng lồ đến hàng loạt bộ phận điện tử nhạy cảm. Mỗi chi tiết, nếu sai lệch dù chỉ vài milimét, đều có thể khiến sứ mệnh thất bại.

Thế nhưng, điều kỳ diệu đã xảy ra: mọi khâu đều diễn ra suôn sẻ. Khi tấm gương vàng 18 cánh hoa mở ra hoàn chỉnh ở khoảng cách 1,5 triệu km, nhân loại lần đầu tiên có “đôi mắt vàng” đủ tinh tế để nhìn sâu vào vũ trụ sơ khai.

1. Từ Hubble đến Webb – câu chuyện về độ sắc nét

Khi Hubble được phóng lên quỹ đạo năm 1990, nhân loại kỳ vọng nó sẽ cho ra những hình ảnh chưa từng có. Nhưng kết quả ban đầu lại khiến cả thế giới thất vọng: hình ảnh bị mờ.
Lý do: gương chính của Hubble được mài với sai số chỉ 2 micron – tương đương 1/50 sợi tóc người – nhưng lại mài sai hình dạng quang học, khiến toàn bộ hệ thống bị “cận thị”.

Để sửa lỗi này, NASA đã phải gửi tàu con thoi Endeavor cùng 7 phi hành gia lên năm 1993 để lắp đặt hệ thấu kính hiệu chỉnh COSTAR. Sau nhiệm vụ đó, Hubble “nhìn rõ” trở lại, tạo nên kỷ nguyên vàng của ảnh thiên văn.

Nhưng James Webb thì khác. Nó nằm ở điểm Lagrange L2, cách Trái Đất 1,5 triệu km – xa hơn bốn nghìn lần so với Hubble.
Tại vị trí này, Webb luôn ở phía sau Trái Đất so với Mặt Trời, được bảo vệ khỏi ánh sáng và nhiệt, nhưng không thể tiếp cận bằng bất kỳ tàu vũ trụ có người lái nào.
Điều đó có nghĩa: nếu Webb bị mờ, chúng ta không thể bay lên sửa được. Mọi hiệu chỉnh phải được thực hiện bằng thuật toán, dữ liệu và trí tuệ nhân tạo.

2. AMI – “mắt kính” siêu nhỏ của nước Úc

Để kiểm soát độ sắc nét của Webb, các nhà khoa học đã trang bị cho nó Aperture Masking Interferometer (AMI) – một thiết bị nhỏ bằng lòng bàn tay, nhưng đóng vai trò sống còn trong việc kiểm tra chất lượng quang học của kính.

AMI là phần cứng duy nhất do Úc chế tạo cho Webb, được thiết kế bởi Giáo sư Peter Tuthill tại Đại học Sydney. Nó nằm trong camera NIRISS (Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph), chuyên quan sát trong dải hồng ngoại gần.

Cấu tạo của AMI gồm một tấm kim loại được khoan các lỗ nhỏ theo mô hình đặc biệt. Khi ánh sáng đi qua, các tia từ các lỗ giao thoa với nhau, tạo ra mẫu nhiễu xạ phức tạp – từ đó, các nhà khoa học có thể phân tích và đo độ sai lệch của hệ thống gương.
Chỉ cần một gương lục giác trong 18 gương chính lệch vài nanomet, hình ảnh sẽ bị mờ đi đáng kể, đặc biệt trong các phép đo tinh tế như phát hiện hành tinh ngoài hệ Mặt Trời (exoplanet).

Peter Tuthill gọi AMI là “một dụng cụ chẩn đoán thị lực cho kính viễn vọng” – đúng như cách bác sĩ nhãn khoa kiểm tra mắt người.

3. Khi James Webb “nhìn mờ” – và cuộc điều tra bắt đầu

Khi nhóm nghiên cứu Úc lần đầu bật chế độ AMI để quan sát các ngôi sao, họ nhận ra điều bất thường: tất cả ảnh đều bị mờ nhẹ ở mức pixel.
Sau hàng tuần phân tích, họ phát hiện nguyên nhân không nằm ở gương hay ống kính, mà nằm trong chính cảm biến hồng ngoại – nơi ánh sáng được chuyển thành tín hiệu điện tử.

Hiện tượng này gọi là leakage effect: các pixel sáng bị “rò tín hiệu” sang pixel tối lân cận.
Về bản chất, đây không phải lỗi mà là đặc tính vật lý của cảm biến hồng ngoại, do các electron năng lượng cao khuếch tán trong vật liệu bán dẫn.

Tuy nhiên, trong trường hợp của Webb, hiệu ứng này mạnh hơn dự kiến, khiến khả năng phân biệt giữa các nguồn sáng yếu kém đi đáng kể.
Điều này là thảm họa cho các quan sát tìm kiếm hành tinh ngoài hệ Mặt Trời, nơi các hành tinh thường mờ hơn sao chủ hàng nghìn lần và chỉ cách vài pixel.

Nếu không khắc phục, Webb sẽ không đạt được độ nhạy cần thiết để phát hiện các thế giới nhỏ bé ấy.

4. “Phẫu thuật” bằng thuật toán – học máy cứu nguy

Không thể sửa phần cứng, nhóm nghiên cứu quyết định hiệu chỉnh bằng phần mềm.
Dưới sự dẫn dắt của nghiên cứu sinh Louis Desdoigts, họ xây dựng một mô hình mô phỏng quang học của AMI – bao gồm hình dạng của các gương, khẩu độ, bước sóng ánh sáng, và cả màu sắc của các ngôi sao quan sát.

Tiếp đó, họ kết hợp mô hình vật lý này với một mô hình học máy (machine learning) để mô phỏng đặc tính điện tử của camera, được gọi là mô hình cảm biến hiệu quả (effective detector model).
Thay vì cố gắng mô phỏng từng quá trình điện tử chi tiết (vốn phức tạp và không thể đo trực tiếp), mô hình học máy chỉ cần học cách tái tạo chính xác hiện tượng mờ xảy ra trong dữ liệu thực.

Sau khi huấn luyện bằng dữ liệu từ những ngôi sao đã biết, mô hình này có thể tính toán ngược lại để khử mờ trong các quan sát khác – một quá trình tương tự như “mài lại ống kính” nhưng thực hiện hoàn toàn bằng số.

Và điều kỳ diệu đã xảy ra.

5. Khi những hành tinh ẩn hiện lên

Kết quả thử nghiệm đầu tiên được áp dụng lên hệ sao HD 206893, một hệ thống đã biết có một hành tinh và một sao lùn nâu cực mờ.
Trước khi hiệu chỉnh, cả hai vật thể này hầu như không thể tách biệt trong ảnh của Webb.
Sau khi áp dụng mô hình mới, hai đốm sáng nhỏ hiện lên rõ ràng, cho phép các nhà khoa học phân tích đặc tính quang phổ của chúng với độ chính xác chưa từng có.

Sự thành công này chứng minh: bằng phép mô hình hóa và học máy, con người có thể sửa lỗi quang học ở khoảng cách hàng triệu kilomet, mà không cần chạm vào thiết bị.
Điều này mở ra khả năng tìm kiếm các hành tinh chưa từng được biết đến, nằm cách sao chủ chỉ vài đơn vị thiên văn.

6. Không chỉ là những “chấm sáng” – tái dựng hình ảnh vũ trụ

Một nhóm khác do nghiên cứu sinh Max Charles dẫn đầu tiếp tục mở rộng kỹ thuật này sang các mục tiêu phức tạp hơn – không chỉ các điểm sáng, mà là các cấu trúc có hình dạng và chuyển động.

• Io, vệ tinh của Sao Mộc, được quan sát bằng AMI trong một chuỗi thời gian một giờ. Ảnh hiệu chỉnh cho phép theo dõi các đợt phun trào núi lửa đang hoạt động – một trong những hiện tượng năng lượng mạnh nhất trong Hệ Mặt Trời.
• Thiên hà NGC 1068, nơi có lỗ đen siêu khối lượng đang phun luồng vật chất (jet), được chụp rõ ràng hơn bao giờ hết. Hình ảnh AMI cho thấy cấu trúc jet trùng khớp gần như hoàn toàn với kết quả từ kính viễn vọng vô tuyến mặt đất lớn hơn nhiều – chứng minh độ chính xác tuyệt vời của Webb.
• Hệ sao đôi WR 137 cũng được AMI ghi nhận rõ dải bụi mảnh quấn quanh, xác nhận mô hình vật lý về sự hình thành bụi trong các hệ sao khối lượng lớn, tương tự hệ Apep nổi tiếng.

Những kết quả này cho thấy AMI không chỉ là công cụ chẩn đoán, mà còn là thiết bị khoa học thực thụ, giúp Webb đạt đến giới hạn cao nhất của nó.

7. Công nghệ hiệu chỉnh – nền tảng cho thế hệ kính viễn vọng tương lai

Phần mềm và thuật toán được phát triển cho AMI hiện là mẫu chuẩn cho các hệ thống quang học phức tạp hơn, như trên kính Roman Space Telescope – dự kiến phóng trong thập kỷ tới.

Các thiết bị thế hệ mới yêu cầu độ ổn định quang học đến 1/10.000 nanomet, tức nhỏ hơn đường kính nguyên tử.
Vật liệu chế tạo không thể đáp ứng mức này, nhưng nếu có thể đo và mô phỏng sai lệch chính xác bằng dữ liệu, chúng ta vẫn có thể “sửa” được bằng hiệu chỉnh số (computational correction).

Đây là triết lý mới của khoa học vũ trụ hiện đại:

Không cần cấu trúc hoàn hảo – chỉ cần hiểu rõ sai lệch để bù trừ bằng trí tuệ.

8. Khi trí tuệ nhân tạo trở thành “phi hành gia vô hình”

Nếu Hubble từng cần phi hành gia thật để bay lên sửa, thì James Webb có những phi hành gia ảo – các thuật toán học máy hoạt động trong trung tâm dữ liệu trên Trái Đất.

Chúng không chỉ sửa ảnh, mà còn tự động học cách nhận biết lỗi, đo lường biến dạng gương, và tối ưu độ phân giải theo từng bước sóng.
Mỗi khi Webb gửi dữ liệu về, một chuỗi hệ thống AI và mô hình vật lý sẽ hiệu chỉnh, tái tạo và tái lập hình ảnh trước khi chúng xuất hiện trên màn hình mà chúng ta thấy.

Điều này biến Webb thành một “cỗ máy học” trong không gian – nơi phần mềm và phần cứng hợp nhất, cùng tiến hóa để khám phá những điều chưa từng thấy.

9. Tầm nhìn hướng đến hành tinh giống Trái Đất

Những cải tiến như AMI và kỹ thuật khử mờ bằng học máy là bước đệm cần thiết cho mục tiêu tối thượng của thiên văn học hiện đại:
tìm ra một hành tinh có sự sống ngoài Hệ Mặt Trời.

Để phát hiện dấu hiệu của oxy, methane hoặc nước trong khí quyển của một hành tinh cách hàng chục năm ánh sáng, kính viễn vọng phải đạt độ nhạy vượt giới hạn vật lý thông thường.
Các kỹ thuật hiệu chỉnh quang học và mô hình học máy chính là “kính thuốc” giúp chúng ta đạt tới độ chính xác đó.

Như Giáo sư Benjamin Pope viết:

“Nếu chúng ta có thể đo, mô phỏng và sửa sai lệch ở mức nhỏ hơn nanomet,
thì không có lý do gì khiến ta không thể nhìn thấy một Trái Đất khác – dù nó ở cách chúng ta hàng trăm năm ánh sáng.”

10. Kết luận – Khi con người “mài” lại đôi mắt của chính mình

Câu chuyện của AMI không chỉ là câu chuyện kỹ thuật.
Nó là biểu tượng cho cách con người chinh phục giới hạn bằng tri thức.
Chúng ta không thể bay đến nơi cách mình 1,5 triệu km, không thể chạm vào thiết bị, nhưng chúng ta vẫn có thể “sửa” nó – bằng hiểu biết, mô hình hóa và thuật toán.

Đó cũng là tinh thần của khoa học:
Tìm cách nhìn rõ hơn, hiểu sâu hơn, ngay cả khi khoảng cách tưởng chừng vô hạn.

Nhờ những công trình như AMI và James Webb, nhân loại không chỉ khám phá vũ trụ – chúng ta còn khám phá chính khả năng vô tận của trí tuệ con người.