Một cột mốc mới trong lĩnh vực thiên văn học sắp được thiết lập khi kính viễn vọng vô tuyến đầu tiên chuẩn bị được triển khai trên mặt khuất của Mặt Trăng – nơi hoàn toàn tách biệt khỏi sự nhiễu sóng vô tuyến từ Trái Đất. Với điều kiện lý tưởng về độ yên tĩnh sóng điện từ, vị trí này được kỳ vọng sẽ mở ra cơ hội quan sát vũ trụ sâu hơn bao giờ hết, đặc biệt là những tín hiệu yếu từ thời kỳ sơ khai của vũ trụ. Đây được xem là bước đột phá quan trọng trong nỗ lực khám phá không gian xa xôi và hiểu rõ hơn về nguồn gốc của các thiên hà và vật chất tối.
Vì thiên văn vô tuyến đòi hỏi môi trường không bị nhiễu sóng, các nhà khoa học đang chuẩn bị đưa một kính viễn vọng vô tuyến đặc biệt – mang tính đột phá – lên Mặt Trăng. Thiết bị này, mang tên Thí nghiệm Điện từ Bề mặt Mặt Trăng (LuSEE-Night), sẽ được triển khai ở phía xa của Mặt Trăng – nơi không bị ảnh hưởng bởi tín hiệu vô tuyến từ Trái Đất. Vị trí độc nhất này hứa hẹn tạo điều kiện lý tưởng cho việc thu nhận các tín hiệu yếu từ vũ trụ sơ khai, đánh dấu một bước tiến lớn trong hành trình khám phá không gian.
LuSEE-Night: Kính viễn vọng vô tuyến đầu tiên chinh phục mặt khuất của Mặt Trăng
Thiên văn học vô tuyến đã làm thay đổi hoàn toàn cách con người hiểu về vũ trụ bằng cách mở ra một dải sóng điện từ khổng lồ mà mắt thường không thể nhìn thấy. Nhờ vào các kính viễn vọng vô tuyến khổng lồ, giới khoa học đã phát hiện ra sao xung, chuẩn tinh, thiên hà vô tuyến, các phân tử trong không gian giữa các vì sao, lỗ đen siêu nặng và cả tiếng vọng của Vụ Nổ Lớn.
Tuy nhiên, việc “lắng nghe” những âm thanh của vũ trụ là một thử thách không nhỏ, vì Trái Đất không phải là nơi yên tĩnh khi nói đến sóng vô tuyến. Các tín hiệu từ đài phát thanh, truyền hình mặt đất, vệ tinh, điện thoại di động, tia lửa từ động cơ xe hơi, lò vi sóng, sét đánh, tín hiệu GPS, thậm chí cả sự phản xạ từ tầng điện ly và… phân chim trên ăng-ten cũng đủ khiến việc quan sát trở nên hỗn loạn.
Để đối phó với môi trường đầy “tiếng ồn” đó, các nhà thiên văn học đã sử dụng các bộ lọc điện tử và kỹ thuật số, đồng thời đặt kính thiên văn ở những nơi hẻo lánh như Goonhilly ở Anh hoặc trong các khu vực được bảo vệ “im lặng vô tuyến” tại Hoa Kỳ, Nam Phi, Úc và Brazil. Thế nhưng, những giải pháp đó vẫn chưa đủ, đặc biệt là khi cần thu nhận những tín hiệu mờ nhạt tương đương tiếng rơi của một cây kim giữa vũ trụ rộng lớn.
Trước thách thức đó, các nhà khoa học và kỹ sư đến từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven (thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ), NASA, Đại học California – Berkeley, và Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley đã quyết định không “lọc” nữa, mà sẽ chuyển hẳn đến nơi yên tĩnh hơn – đó là mặt khuất của Mặt Trăng. Vùng không bao giờ nhìn thấy Trái Đất này cực kỳ lý tưởng để quan sát sóng vô tuyến, khi chính khối lượng 7,35×10¹⁹ tấn của Mặt Trăng đóng vai trò như một tấm chắn tự nhiên chống lại nhiễu vô tuyến từ hành tinh của chúng ta.
Bước đi đầu tiên là sứ mệnh mang tên LuSEE-Night (Lunar Surface Electromagnetics Experiment-Night) – một dự án nhằm chứng minh khả năng xây dựng và vận hành kính viễn vọng vô tuyến từ xa trên Mặt Trăng, đồng thời gửi về những dữ liệu khoa học có giá trị.
LuSEE-Night là một bộ thiết bị độc lập, sẽ được đưa lên Mặt Trăng bằng tàu đổ bộ Blue Ghost 2 do công ty Firefly Aerospace phát triển. Dự kiến được phóng vào cuối năm nay hoặc đầu năm sau, sứ mệnh này sẽ giúp giới thiên văn theo dõi các tín hiệu vô tuyến tần số thấp, trong dải từ 0,1 đến 50 MHz. Đây là vùng sóng mà kính thiên văn trên Trái Đất không thể tiếp cận vì bị tầng điện ly hấp thụ hoặc bị nhiễu từ nhân tạo.
Một trong những mục tiêu trọng tâm của LuSEE-Night là tìm kiếm các tín hiệu đỏ dịch 21 cm của nguyên tử hydro trung tính – tín hiệu quan trọng để khám phá Thời kỳ Tăm tối của Vũ trụ, giai đoạn kéo dài sau khi bức xạ nền vũ trụ hình thành khoảng 380.000 năm sau Vụ Nổ Lớn, và trước khi các ngôi sao và thiên hà đầu tiên xuất hiện.
Tuy nhiên, đây là một sứ mệnh thử nghiệm và đầy thách thức. Trước khi đi sâu vào các hoạt động khoa học, nhóm nghiên cứu phải chứng minh rằng LuSEE-Night có thể vận hành đúng như thiết kế trong điều kiện khắc nghiệt của Mặt Trăng.
Thiết bị này có kích thước khoảng 1 x 1 x 0,7 mét, sử dụng năng lượng mặt trời, và được trang bị hệ thống thu tín hiệu vô tuyến gồm 4 kênh băng tần cơ sở Nyquist, hoạt động ở tần số 50 MHz. Máy quang phổ vô tuyến tích hợp có vai trò phân tách tín hiệu mục tiêu, được thu nhận bởi bốn ăng-ten dạng lò xo đơn cực làm từ đồng berili, dài 3 mét, cán nguội. Các ăng-ten này được sắp xếp thành hai cặp lưỡng cực trực giao, với mỗi đầu cách nhau khoảng 6 mét.
Hệ thống ăng-ten không chỉ có thể xoay để nhắm vào các khu vực khác nhau của bầu trời, mà còn hỗ trợ hiệu chuẩn với điều kiện điện từ tại chỗ trên bề mặt Mặt Trăng. Để đảm bảo khả năng kiểm soát và hiệu chỉnh, một tàu quỹ đạo Mặt Trăng sẽ phát các tín hiệu mã hóa sẵn để hỗ trợ điều khiển thiết bị từ Trái Đất.
Tuy nhiên, làm việc trên Mặt Trăng không hề dễ dàng. Môi trường nơi đây cực kỳ khắc nghiệt, với chênh lệch nhiệt độ cực đoan giữa ngày và đêm. Để bảo vệ thiết bị khỏi điều kiện giá lạnh kéo dài suốt 14 ngày đêm Mặt Trăng – khi nhiệt độ có thể xuống tới -173,15°C – LuSEE-Night được trang bị một tấm chắn phản xạ nhiệt và hệ thống pin lithium-ion nặng 40 kg, công suất từ 6.500 đến 7.160 Wh, để cấp điện cho hệ thống sưởi.
Dữ liệu từ LuSEE-Night sẽ được gửi về Trung tâm Điều khiển Nhiệm vụ trên Trái Đất thông qua một vệ tinh chuyển tiếp (chưa xác định). Nếu thiết bị vận hành suôn sẻ, sứ mệnh có thể kéo dài lên đến 18 tháng.
Nếu LuSEE-Night thành công, nó không chỉ mở ra chương mới cho thiên văn học vô tuyến, mà còn có thể truyền cảm hứng cho những công trình tham vọng hơn – chẳng hạn như biến một miệng hố khổng lồ ở mặt khuất Mặt Trăng thành một đài quan sát vô tuyến khổng lồ. Khi đó, cả những thiết bị từng huy hoàng như Đài thiên văn Arecibo cũng có thể trở nên bé nhỏ như một chiếc bộ đàm đồ chơi.
Nguồn: Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven
