Không gian không chỉ khó khăn vì khoa học tên lửa. Nhiệm vụ chuyển sứ mệnh của NASA từ phát triển và tài trợ sang xây dựng và phóng – tất cả trước khi chúng ta sử dụng vật thể này cho mục đích khoa học – có thể kéo dài hàng thập kỷ. Toàn bộ sự nghiệp của họ đã được dành để đưa một vệ tinh vào không gian. John Mather, nhà vật lý NASA từng đoạt giải Nobel, đã giúp gửi hai chiếc.
Trong cuốn sách mới của họ, Bên trong Nhà máy Ngôi sao: Quá trình xây dựng Kính viễn vọng Không gian James Webb, đài quan sát không gian lớn nhất và mạnh nhất của NASA, Tác giả Christopher Wanjek và nhiếp ảnh gia Chris Gunn đưa độc giả tham gia chuyến tham quan hậu trường về hành trình của Kính viễn vọng Không gian James Webb từ khi thành lập đến quỹ đạo. Các cuộc kiểm tra dệt may về công nghệ hình ảnh cấp tiến cho phép chúng ta nghiên cứu sâu hơn về vũ trụ sơ khai hơn bao giờ hết với hồ sơ của các nhà nghiên cứu, nhà tư vấn, nhà quản lý, kỹ sư và kỹ thuật viên, những người đã thực hiện được điều đó sau ba thập kỷ nỗ lực. Trong đoạn trích của bài viết tuần này, hãy nhìn vào nhà khoa học John Mather của dự án JWST và chuyến hành trình khó có thể xảy ra của ông từ vùng nông thôn New Jersey đến NASA.
Chuyển thể từ “Bên trong Nhà máy Ngôi sao: Quá trình xây dựng Kính viễn vọng Không gian James Webb, đài quan sát không gian lớn nhất và mạnh nhất của NASABản quyền © 2023 của Chris Gunn và Christopher Wanjek. Được sử dụng với sự cho phép của nhà xuất bản, MIT Press.
John Mather, nhà khoa học dự án
– Kiểm soát chặt chẽ
John Mather là một người kiên nhẫn. Phải mất ba mươi năm ông mới nhận được giải Nobel Vật lý năm 2006. Giải thưởng đó, dành cho bằng chứng rõ ràng về Vụ nổ lớn, dựa trên một cỗ máy cỡ xe buýt có tên COBE, một sứ mệnh khác của NASA gần như chưa bao giờ xảy ra. Thiết kế kịch? Tôi đã ở đó. Bạn đang điều hướng sự chậm trễ không mong muốn? Tôi đã làm điều đó. Việc NASA lựa chọn Mather làm nhà khoa học dự án JWST là một hiểu biết sâu sắc.
Giống như Webb, COBE – Nhà thám hiểm nền vũ trụ – được dự định trở thành cỗ máy thời gian để tiết lộ bức ảnh chụp nhanh về vũ trụ sơ khai. Thời đại mục tiêu chỉ là 370.000 năm sau Vụ nổ lớn, khi vũ trụ vẫn còn là một đám sương mù gồm các hạt cơ bản không có cấu trúc rõ ràng. Đây được gọi là Kỷ nguyên tái hợp, khi vũ trụ nóng nguội đi đến mức cho phép các proton liên kết với các electron để tạo thành các nguyên tử đầu tiên, chủ yếu là hydro với một ít helium và lithium. Khi các nguyên tử hình thành, sương mù tan đi và vũ trụ trở nên rõ ràng. Ánh sáng xuyên qua. Ánh sáng cổ xưa này, từ chính Vụ nổ lớn, tồn tại với chúng ta ngày nay dưới dạng tàn dư của bức xạ vi sóng được gọi là nền vi sóng vũ trụ.
Cao lớn nhưng không áp đặt, khắt khe nhưng không hề xấu tính, Mather là một nghiên cứu hoàn toàn trái ngược. Anh trải qua thời thơ ấu chỉ cách Đường mòn Appalachian một dặm ở vùng nông thôn Quận Sussex, New Jersey, nơi bạn bè anh bận rộn với những công việc trần tục như công việc đồng áng. Tuy nhiên, Mather, có cha là chuyên gia thống kê và chăn nuôi, lại quan tâm đến khoa học và toán học hơn. Năm sáu tuổi, anh đã nắm bắt được khái niệm về vô cực khi điền vào một trang sổ tay một con số rất lớn và nhận ra mình có thể tiếp tục mãi mãi. Anh chất đầy sách từ thư viện di động đến thăm các trang trại hai tuần một lần. Cha anh làm việc tại Trạm Thí nghiệm Nông nghiệp của Đại học Rutgers và có một phòng thí nghiệm trong trang trại với thiết bị đồng vị phóng xạ để nghiên cứu quá trình trao đổi chất và các thùng chứa nitơ lỏng chứa tinh dịch bò đực đông lạnh. Cha của ông cũng là một trong những người sử dụng máy tính đầu tiên trong khu vực, vào khoảng năm 1960, ông đã lưu giữ hồ sơ sản xuất sữa của 10.000 con bò trên thẻ đục lỗ của IBM. Mẹ anh, một giáo viên tiểu học, cũng là người có học vấn khá cao và là người nuôi dưỡng niềm đam mê khoa học của cậu bé John.
Cuối cùng, cơ hội có thời tiết ấm áp quanh năm đã đưa Mather vào năm 1968 đến Đại học California, Berkeley để học cao học về vật lý. Có lẽ anh ta sẽ tham gia cùng một đám đông những người bị mê hoặc bởi bức xạ nền vi sóng vũ trụ mới được phát hiện, bức xạ này được các nhà thiên văn vô tuyến Arno Penzias và Robert Wilson phát hiện một cách tình cờ vào năm 1965. Cố vấn luận án của ông đã nghĩ ra một thí nghiệm khinh khí cầu để đo quang phổ hoặc màu sắc của bức xạ này để xem liệu nó có thực sự đến từ Vụ nổ lớn hay không. (Đúng vậy.) Điều hiển nhiên tiếp theo là lập bản đồ ánh sáng này để xem, như lý thuyết đã đề xuất, liệu nhiệt độ có thay đổi một chút trên bầu trời hay không. Nhiều năm sau, ông và nhóm COBE đã khám phá ra điều này: tính dị hướng, sự phân bổ năng lượng không đồng đều. Những thăng giáng nhiệt độ nhỏ này cho thấy những thăng giáng về mật độ vật chất, đủ để ngăn chặn sự giãn nở, ít nhất là cục bộ. Nhờ tác dụng của lực hấp dẫn, vật chất sẽ tích tụ trong các hồ vũ trụ để hình thành nên các ngôi sao và thiên hà hàng trăm triệu năm sau. Về bản chất, Mather và nhóm của ông đã nắm bắt được bản thiết kế âm thanh của vũ trụ non trẻ.
Tuy nhiên, sứ mệnh COBE, giống như sứ mệnh của Webb, đã gặp phải những thất bại. Mather và nhóm đề xuất khái niệm sứ mệnh (lần thứ hai) vào năm 1976. NASA chấp nhận đề xuất này, nhưng năm đó, họ thông báo rằng vệ tinh này và hầu hết các vệ tinh khác kể từ đó trở đi sẽ được đưa vào quỹ đạo bởi Tàu con thoi, bản thân nó vẫn còn hoạt động. Đang chạy. Trong giai đoạn phát triển. Lịch sử sẽ tiết lộ sự điên rồ của một kế hoạch như vậy. Mather hiểu ngay. Điều này liên kết thiết kế COBE với khoang chở hàng của tàu con thoi chưa được chế tạo. Các kỹ sư sẽ cần phải đáp ứng các yêu cầu về khối lượng và thể tích chính xác đối với một con tàu chưa hoạt động. Rắc rối hơn nữa là COBE yêu cầu quỹ đạo cực, điều mà Tàu con thoi khó thực hiện được. Nhóm COBE sau đó phải gánh chịu việc cắt giảm ngân sách và thỏa hiệp trong thiết kế COBE do chi phí vượt mức cho một sứ mệnh khoa học vũ trụ tiên phong khác, Vệ tinh Thiên văn Hồng ngoại, hay IRAS. Tuy nhiên, công việc khó khăn vẫn tiếp tục thiết kế các thiết bị đủ nhạy để phát hiện những thay đổi nhiệt độ chỉ cao hơn độ không tuyệt đối vài độ, khoảng âm 270 độ C. Từ năm 1980 trở đi, Mather bận rộn tạo ra COBE cả ngày, mỗi ngày. Nhóm cần cắt giảm chi phí và đưa ra những quyết định mạo hiểm để duy trì ngân sách. COBE được cho là đã được phóng lên trong sứ mệnh Tàu con thoi STS-82-B vào năm 1988 từ Căn cứ Không quân Vandenberg. Tất cả các sự tham gia đang đến.
Sau đó, tàu con thoi Challenger phát nổ vào năm 1986, giết chết cả bảy thành viên phi hành đoàn. NASA đã đình chỉ các chuyến bay đưa đón vô thời hạn. COBE, hiện bị hạn chế về thông số kỹ thuật của tàu con thoi, không thể phóng trên bất kỳ hệ thống tên lửa nào khác. COBE quá lớn đối với tên lửa Delta vào thời điểm này; Trớ trêu thay, Mather đã nghĩ đến Delta trong bản vẽ đầu tiên của mình vào năm 1974. Nhóm nghiên cứu đã tìm kiếm một phương tiện phóng ở châu Âu, nhưng đó không phải là một lựa chọn đối với NASA. Thay vào đó, các nhà quản lý dự án đã tiến hành thiết kế lại để cắt giảm hàng trăm pound, giảm khối lượng phóng xuống còn 5.000 pound, cùng với nhiên liệu, sẽ đưa nó vào giới hạn đồng bằng vài pound. Ồ, và McDonnell Douglas đã phải chế tạo tên lửa Delta từ các bộ phận phụ tùng, sau khi phải ngừng loạt phim để chuyển sang sử dụng Tàu con thoi.
Nhóm nghiên cứu đã làm việc suốt ngày đêm trong hai năm tiếp theo. Thử thách thiết kế cuối cùng là… chờ đợi… tấm che nắng, giờ đây phải được gấp lại bên trong tên lửa và phóng lên quỹ đạo một lần, một cách tiếp cận mới. COBE đã được bật đèn xanh để phóng từ Căn cứ Không quân Vandenberg ở California, một địa điểm ban đầu được yêu cầu vì nó sẽ giúp tiếp cận quỹ đạo vùng cực dễ dàng hơn so với việc phóng tàu con thoi từ Florida. Việc phóng được lên kế hoạch vào tháng 11 năm 1989. COBE được giao sớm vài tháng.
Sau đó, vào ngày 17 tháng 10, mặt đất California rung chuyển dữ dội. Một trận động đất mạnh 6,9 độ richter xảy ra ở hạt Santa Cruz, gây thiệt hại trên diện rộng cho các tòa nhà. Vandenberg, cách đó 200 dặm về phía nam, cảm nhận được chấn động. May mắn thay, COBE chỉ được lắp đặt an toàn vì hai kỹ sư giám sát của nó đã đảm bảo an toàn cho nó vào ngày hôm đó trước khi đi dự đám cưới. Máy không bị hư hại gì và được phóng thành công vào ngày 18/11. Nhiều kịch tính hơn đến với gió lớn vào ngày ra mắt. Vô số mối lo ngại kéo theo trong những tuần đầu tiên hoạt động: máy điều hòa lạnh nguội quá nhanh; Ánh sáng mặt trời phản chiếu băng Nam Cực đã tàn phá hệ thống năng lượng. Các electron và proton bị mắc kẹt trong vành đai Van Allen đã vô hiệu hóa các thiết bị điện tử; Và vân vân.
Tất cả sự chậm trễ, tất cả kịch tính đều mờ dần trong ký ức xa xôi đối với Mather khi kết quả thử nghiệm COBE được đưa ra. Có thể mất bốn năm để thu thập dữ liệu. Nhưng kết quả thật tuyệt vời. Kết quả đầu tiên đến vài tuần sau khi phóng, khi Mather trình diễn quang phổ cho Hiệp hội Thiên văn Hoa Kỳ trong sự hoan nghênh nhiệt liệt. Vụ nổ lớn là an toàn về mặt lý thuyết. Hai năm sau, tại cuộc họp của Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ vào tháng 4 năm 1992, nhóm nghiên cứu đã đưa ra bản đồ đầu tiên của họ. Dữ liệu khớp chính xác với lý thuyết. Đây là ánh hào quang của Vụ nổ lớn tiết lộ những hạt giống sẽ phát triển thành các ngôi sao và thiên hà. Nhà vật lý Stephen Hawking mô tả nó là “khám phá quan trọng nhất của thế kỷ, nếu không muốn nói là của mọi thời đại”.
Mather đã nói một cách khiêm tốn về khám phá này trong bài phát biểu nhận giải Nobel năm 2006, hoàn toàn ghi nhận công lao của đội ngũ xuất sắc và đồng nghiệp George Smoot, người cùng ông chia sẻ giải thưởng năm đó. Nhưng anh không hề hạ thấp tầm quan trọng của thành tích đó. Ông lưu ý rằng ông rất vui mừng trước “sự công nhận rộng rãi hơn rằng công việc của chúng tôi cũng quan trọng như những gì mọi người trong thế giới thiên văn học chuyên nghiệp đã biết từ lâu”.
Mather vẫn duy trì chủ nghĩa hiện thực này cho đến ngày nay. Mặc dù lo ngại về sự chậm trễ, đe dọa hủy bỏ, chi phí vượt mức và sự thù địch không mấy tinh vi trong cộng đồng khoa học rộng lớn hơn đối với “kính thiên văn ăn thịt thiên văn học”, nhưng ông không để nó tiêu diệt mình hoặc nhóm của mình. Ông nói: “Không có ích gì khi cố gắng quản lý cảm xúc của người khác. “Rất nhiều phản hồi của cộng đồng là, ‘Chà, nếu tôi có một đồng xu, tôi sẽ tiêu nó theo cách khác.'” Nhưng đó không phải là đồng xu của họ. Lý do đầu tiên chúng tôi có đồng xu là vì NASA phải đối mặt với những thách thức vô cùng lớn. đã đồng ý “Chúng ta phải đối mặt với những thách thức lớn. Và những thách thức lớn không hề miễn phí. Cảm giác của tôi là lý do duy nhất khiến chương trình thiên văn học tại NASA có thể khiến mọi người thích thú – hoặc phàn nàn – là vì chúng tôi thực hiện những dự án vô cùng khó khăn. Chúng tôi nỗ lực hết mình để thực hiện cạnh của những gì có thể.”
Mather nói thêm rằng Webb không tốt hơn Kính viễn vọng Không gian Hubble một chút; Nó mạnh hơn gấp trăm lần. Tuy nhiên, mối quan tâm lớn nhất của ông khi thiết kế sứ mệnh không phải là các thiết bị thiên văn tiên tiến mà là tấm chắn nắng khổng lồ phải mở ra. Tính dự phòng được tích hợp vào tất cả các công cụ và cơ chế triển khai; Có hai hoặc nhiều cách để làm cho nó hoạt động nếu phương pháp cơ bản không thành công. Nhưng đây không phải là vấn đề duy nhất với kem chống nắng. Nó hoạt động hoặc không.
Bây giờ Mather có thể tập trung hoàn toàn vào lĩnh vực khoa học cần tiếp thu. Mong đợi những điều bất ngờ. Anh ấy sẽ ngạc nhiên nếu không có điều gì bất ngờ. “Hầu hết mọi thứ trong thiên văn học đều mang đến sự ngạc nhiên,” ông nói. “Khi bạn có thiết bị mới, bạn sẽ nhận được bất ngờ.” Linh cảm của ông là Webb có thể tiết lộ điều gì đó kỳ lạ về vũ trụ sơ khai, có lẽ là vô số vật thể tồn tại trong thời gian ngắn chưa từng thấy nói lên điều gì đó về năng lượng tối, một lực bí ẩn dường như đang tăng tốc sự giãn nở của vũ trụ, hoặc một lực lượng bí ẩn không kém. Vật chất tối. Anh ấy cũng nóng lòng chờ Webb quay máy ảnh của mình sang Alpha Centauri, hệ sao gần Trái đất nhất. Điều gì sẽ xảy ra nếu có một hành tinh phù hợp cho sự sống? Webb được cho là có độ nhạy cần thiết để phát hiện những phân tử nào, nếu có, hiện diện trong bầu khí quyển của nó.
“Điều đó thật tuyệt,” Mather nói. Gợi ý về sự sống từ hệ sao gần nhất? Vâng, thực sự tuyệt vời.